Распылительная колонна

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А ТЕН ЬСТ ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗ АВТОРСМОМУ,СВИДЕТ(21) 3442060/23-26 ( 22) 24.05,82 (46) 15.03,84. Бюл.10 (72) Б, М. Граховский, И. И. Бербенец, И, М. Гурковский, Н. А. Киктева, Б. Д. Педяш, И. Т. Перекрест, Т. А. Польская, А, В. Поротников и Ю. Н. Резников (71) Донецкий филиал Всесоюзного научноисследовательского и проектного института по очистке технологических газов, сточных вод и использованию вторичных энергоресурсов предприятий черной металлургии (53) 66.061 5(088.8) (56) 1. Трейбал Р. Жидкостная экстракция, М., химия", 1966, с. 722,2. Патент США2364892,вл. 23-310, 1944.ЯО 1079265 в 01 в 11 ю 4(54) (57) РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ КОЛОННА для проведения противоточных теплообменных и экстракционных процессов между несмешивающимися жидкостями включающая основную цилиндрическую секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство для диспергирования одной из фаз, устройства для подвода иотводафаз, отличающаяся тем, что, с целью снижения температуры диспергируемого теплоносителя и степени регенерации диспергируемого экстрагента, она снабжена дополнительной.цилиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхняя часть которой располЬжена в конической секции, а нижняя часть соединена с устройством для диспергирования.1079266 1Изобретение относится к устройствамдля проведения противоточных теплообменных и экстракционньа процессов между несмешивающимися жидкостями приих непосредственном контакте и можетбыть применено для нагрева минерализованной воды в термообессоливающих установках с промежуточным теплоносителем, а также любом экстракционном процессе. 10Известны устройства в виде колонн, заполненных различными конструкционными элементами (сетками, перегородками, различного типа насадками), через которые противоточно движутся контактирующие фазы, одна из которых диспергирована в другой 11.Недостатком этих устройств является наличие в зоне контакта конструкционных элементов (сеток, перегородок, насадок), что приводит к их эарастанию при наличии в контактирующих жидкостях механических примесей и кристаллизующихся веществ, повышенному расходу энергии на преодоление сопротивления, удорожанию устройств и реализуемых в них тепло- и массообменных процессов.Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является распылительная колонна Элджина, включающая вертикальную цилиндрическую секцию, в которой организуется противоточное движение несмешивающихся жидкостей, одна иэ которых находится в диспергированном состоянии;35 коническую секцию, примыкаемую к цилиндрической, в которой происходит по,.степенное снижение скорости сплошнойфазы перед ее выводом из зоны контакта через кольцевую щель между стенкойконической секции и распылительным устройством; устройство для подачи и распыления одной из жидкостей, расположенное так, что сопла или отверстия этогоустройства находятся на уровне большогооснования конической секции; устройства для подвода и отвода сплошнойфазы 2.Недостатком известной колонны является то, что в конической секции, предназначенной для постепенного снижения скорости сплошной фазы, наблюдается интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях при, практически, неизменной температуре и концентрации в сплошной фазе вследствие распыла и формирования капель в условиях противоточного движения фаз, Это требует повьдденной температуры диспергируемого теплоносителяи повьпденной степени регенерации экстрагента на входе в колонну,Цель изобретения - снижение температурьи диспергируемого теплоносителя истепени регенерации диспергируемогоэкстрагента на входе в колоыну.Указанная цель достигается тем, чтораспылительная колонна, которая включает основную цилиндрическую секцию, примыкающую к ней коническую секцию,устройство для диспергирования однойиэ фаэ,устройства для подвода и отводасплошной."фазы, патрубков для подвода иотвода диспергированной фазы, снабжена дополнительной цилиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхняячасть которой расположена в коническойсекции, а нижняя часть соединена с устройством для диспергирования, при этомвысота дополнительной цилиндрическойсекции равна 1-6-кратной длине, проходимой каплей за один период роста присоединенного кормового вихря.Дополнительная цилиндрическая секцияпозволяет осуществить распыл и формирование потока дисперсной фазы в непроточную сплошную фазу, Непроточностьдополнительной цилиндрической секциипо сплошной фазе способствует установлению теплового и диффузионного равновесия между фазами, благодаря чему ликвидируется локальное интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях на входе в колонну. На фиг. 1 схематически изображена конструкция распылительной колонны;на фиг. 2 - зависимость пути развития кормового вихря за каплей от числа Рейнольдса и приняты следующие обозначения: 1 - система гексан-вода, диаметр капель 3,7 мм; 2 - система бензин-вода, диаметр - 3-6 мм; 3 - система керосин-вода, диаметр капель 4,8 мм 4 - система керосин-вода, диаметр капель 3,9 мм; 5 -то же, диаметр капель 3,3 мм; 6 - система додекан-вода, диаметр капли 2,5-4,3 мм; 7 - то же, диаметр капли 3,6-6 мм; 8 - то же, диаметр капли 2-3,9 мм; 9 - то же, диаметр капли 3,5 мм; 10 - то же, диаметр капли 3-4,8 мм; 11 - керосин- слабый раствор МС 0, диаметр капли 4 мм; 12 - керосин-концентрированный раствор МС 1, диаметр капли 4,7 мм; на фиг. 3 - температурные профили фаэконцентраций, т.е. снизить температуру диспергируемого теплоносителя на входе в колонну без изменения температуры нагреваемой среды, в также снизить степень регенерации диспергируемого экстрагента на входе в колонну без снижения степени эксграгирования.Это связано с особенностями гидродинамики и межфвзного тепломассопереноса в распылительных колоннах на участке формирования дисперсной фазы.При истечении жидкости, образу 1 ощей дисперсную фазу в колонне, эа каплями периодически формируются присоединенные кормовые вихри. После отрыва капель от диспергирующего устройства гидродинамический пограничный слой, образовавшийся нв лобовой поверхности капли. сворачивается в корм ов ой вихрь. По мере подъема капли кормовой вихрь увеличивается в объеме за счет поступления жидкости из лобовой части капли и достигает своего максимального, усхрйчивого размера. После этого кормовой вихрь отрывается и смешиваегся с окружающей сплошной фазой, а цикл его раэвигия повторяется. Путь, который проходит капля за период развития присоединенного кормового вихря, не зависит от диаметра капли и физических свойств фаэ.На фиг. 2 предстчвлены обработка экспериментальных и опытных даНных в форме зависимости пути развития кормового вихря эа каплей ог числа Рейнольдса, Из фиг. 2 следует, что этот путь в среднем равен 0,175 м,Образование присоединенных кормовых вихрей за каплями обуславливает интенсивное изменение температуры и концентрации в каплях на входе в колонну при противоточном движении фаз, в температура и концентрация переносимого вещества в сплошной фазе остается при этом постоянной. Это связано с тем, что в условиях распьлительных колоп толщина гидродинамического пограничного слоя на поверхности капли обычно много больше толщины теплового и диффузионного пограничных слоев. Поэтому в процессе межфаэного обмена учасгвуег только та часть сплошной фазы, которая сосредоточена в пределах гидродинамического логранслоя и сносится затем в кормовой вихрь, В результате этого в кормовом вихре происходит аккумуляция тепла и вещества, которые переходят во внешний лоток после отрыва вихря. 3 1079266в известной колонне Элджина и предлагаемой конструкции распылигельной колонКонструкция распылительной колонны(фиг. 1) соответствует случаю, когда 5плотность дисперсной фазы меньше плоности сплошной фазы, Для обратногосоотношения плотностей конструкции колонны аналогична, но перевернута.Распыли тельная колонна, включает 10устройство для подвода сплошной фазы 1,основную цилиндрическую секцию 2,коническую секцию 3, дополнительнуюцилиндрическую секцию 4, устройстводля отвода сплошной фазы 5, устройстводля диспергирования одной из фаз 6,кольцевой канал 7, пагрубки для подвода8 и отвода 9 диспергируемой фазы.Распылигельная колонна работаетследующим образом, 20Диспергируемая фаза через патрубок8 и сопла или отверстия диспергирующего устройства 6 поступает в дополнигельную цилиндрическую секцию 4, в которойобразуется зона распыла и формирования 25потока дисперсной фазы. Сформированныйв дополнительной цилиндрической секциидисперсный поток поступает в коническую 3 и основную цилиндрическую 2секции, в которых дВижение фаз и меж- З 0,фазные процессы обмена протекают как ив обычной колонне Элджина. Отвод дисперсной фазы иэ колонны осуществляетсячерез пвтрубок 9, Сплошная фаза подается в основную цилиндрическую секцию 352 с помощью устройства для подвода 1и движется в прогивогоке с дисперснойфазой, В конической секции 3 происходитпостепенное снижение скорости сплошнойфазы, которая затем выводится из колон ны через устройство отвода 5. Коническая секция 3 и верхний крвй дополнительной цилиндрической секции 4 науровне большого сечения конической секции образуют кольцевой канал 7, через 45который сплошная фаза поступает в устройство для отвода 5. Для устранениявозможности уноса дисперсной фазы черезкольцевой канал плошадь сечения кольцевого канала выбирается равной .или более плошади сечения основной цилиндрической секции.Указанные размеры дополнительнойцилиндрической секции позволяют ликвидировать локальное интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в каплях, уменьшить межфазовую разность температур иКеросин На фиг. 3 кривые 1 и 2 построены по экспериментальным точкам и показывают распределение температуры дисперс 10792 Периодическая аккумуляция тепла и в щества кормовыми вихрями не приводит, однако к ступенчатому изменению температуры и концентрации переносимого вещества в фазах по высоте основного участка распылительной колонны, В силу случайных возмущений, которые присуши двухфазным системам, на основном учас 1 ке колонны двухфазный поток находит ся в развитом состоянии, когда любая 10 стадия развития кормового вихря за каплек равновероятна. Б любом сечении такого потока имеет место переход жидкости,а следовательно, и конвективный тепло-масс оперенос от кормовых вихрей во внешнюю фазу. Поэтому изменение температуры и концентрации в фазах на основном участке колонны носит монотонный характер, Наличие ко мовых вихрей вызывает только эффект20 обратного перемешивания сплошной фазы в направлении движения дисперсного потока.На участке распыления первоначально в момент отрыва капель от диспергиРующего устройства кормовые вихри за каплями отсутствуют. Кормовые вихри нарастают по мере подъема капель и по-. этому, в соответствии с фиг. 2, отрыв вихрей после первого периода их разви 30 тия происходит у капель, поднявшихся в среднем на высоту 0,175 м от диспергирующего устройства. До момента отрыва кормовых вихрей в них идет аккумуляция тепла и вещества вследствие соответствующих процессов обмена междуЗ 5 поверхностью капли и жидкостью пограничного слоя. Поэтому на участке высотой 0,175 м от диспергирующего устрой-. ства наблюдается интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагиру емого вещества в каплях при постоянной температуре и концентрации во внешнем потоке жлошной фазы. В последующие циклы развития кормовых вихрей двухфазная система постепенно переходит к 45 развитому состоянию с монотонным изменением температуры и концентрации в обеих фазах. Чтобы ликвидировать резкое изменение температуры и концентрации дисперсной фазы на участке ее рас пыла, необходимо устранить возможноств межфазного тепло- и массопереноса на этом участке. Введение непроточной по сплошной фазе дополнительной цилиндрической сек пи,в нижней асти которой находится зона распыла капель, позволяет достичь теплового и диффузионного равновесия между каплями и неиолточной жидкостью,66 6если высоту этой секции принять достаточной для достижения теплового и диффузионного равновесия. Установлено,что такое равновесие между фазами достигается при высоте дополнительнойцилиндрической секции до 1 м. Дальнейшее увеличение высоты этой секции нежелательно, так как это приводит к увеличению габаритов колонны и соответственно к росту капитальных затрат без повышения эффективности процесса. Такимобразом, высота дополнительной цилиндрической секции выбирается в диапазоне0,175-1,0 м, что составляет 1-6 кратную длину, проходимую каплей за одинпериод роста присоединенного кормовоговихря,Возможности новой распылительнойколонны в достижении указанной целипо сравнению с колонной Элджина показаны на примере геплообменной распылительной колонны в сопоставимых услови- .ях. Размеры, физические свойства фаз,расходы и температурные профили фаздля коланны Элджина приняты в соответствии с экспериментальными даннымиЯляновой распылительной колонны выбраны теже размеры, физические свойства фаз.Температура сплошной (нагреваемой) фазына выходе из колонны и на входе в колонну в обоих случаях одинакова. Сравнение ведется по температуре диспергируемого теплоносителя на входе в колонну, Температурные профили фаз в новой колонне определены с учетом экспериментальных значений коэффициентовзначений коэффициентов межфазного теплообмена. Основные параметры, при которых производится сравнение обеих колонн,сл едующи еСплошная ( нагреваемая)фаза ВодаДисперсная (греющая)фазаОтношение объемныхрасходов фаз 2,5Объемная концентрация дисперсной фазы,% 22Диаметр капель, мм 3,5Высота рабочей зонытеплообмена, м 1,9Температура сплошнойфазы:на входе в колонну, С 32,5оона выходе из колонны, С 40,3,7 1079 ной и сплошной фаз соответственно по высоте распылительной колонны известной конструкции; кривые 3 и 4 - распределение температуры дисперсной и сплошной фаз соответственно по высоте ко лонны предлагаемой конструкции. На фиг, 3 следует, что в новой распылительной колонне разность между температурой диспергированного теплоносителя на входе в колонну и температурой сплошной фазы на выходе из колонны в 7,8 раза меньше, чем соответствующая разность температур в колонне Элджина, что соответствует снижению температуры теплоносителя на входе в колонну на 12%. 15Применение данной конструкции распылительной колонны в качестве тепло 266 8обменного аппарата позволяет снизить температуру диспергируемого теплоносителя на входе в колонну без изменения температуры нагреваемой среды.Это дает возможность применять ниэкопотенциальные йсточники нагрева теп лоносителя, например пар низких параметров испарительного охлаждения или отборный пар турбин, что дает экономию ,топлива в народном хозяйстве.Применение данной конструкции рас-пылительной колонны в качестве экстрактора позволяет снизить степень регенерапии диспергируемого экстрагента на ироде в колонну без уменьшения степени экстрагцровання, что снижает экономиче- ские расходы на регенерацию.,1079266 1 уь 1 рц Составитель А. Мироновактор Г. Гербер Техред ТЯубинчак Корректор А,Повх1 200/4 Тира ВНИИПИ Гос по делам 13035,Москва, ж 682 Подписное ударственного комитета СС изобретений и открытий Ж, Раушская наб., д. 4аказ илиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная