Колонна для проведения тепломассообменных процессов между газом и жидкостью

,ЯО 1232274 4 В 01 Р 3/28 3 32 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРУ 1068135, кл, В 01 Р 3/28, 982.(54)(57) КОЛОННА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ МЕЖДУ ГАЗОМ И ЖИДКОСТЬЮ, содержащая корпусрасположенные в корпусе по высоте иснабженные механизмом для продольного перемещения пленочные тарелкив виде сплошного горизонтальноголиста с закрепленными на ней вертикальными патрубками, установленнымипараллельными рядами, причем в каждом отдельном ряду патрубки имею вый диаметр, а в последующиа смежных тарелках разныеы, и патрубки имеют одинакоошение длины к диаметру, ою щ а я с я тем, что, совышения эффективности се инак рядахдиамет ч ю па- рое и ции капелранстве и межтарельчато ри разли за, диам арелке ч ных н тр пат редует яду, и руз бко авлении га каждой ся пр атруб редне пе еходе о ряда кисту та репятся квоей часть елки ю, выполнены с ода жидкости с порасстояние междами изменяется в верстия- ерхности т ными вале боль е у смежинтерарелк т пол вины длины патр метра до пяти д ого диаметра. к м ого ди НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ2274 2123Изобретение относится к колоннамдля проведения тепломассообменныхпроцессов между газом и жидкостью,применяемых в процессах неиэотерми"ческой абсорбции, ректификации,а также испарения и конденсации дляобеспечения высокой эффективностипроцессов тепломассообмена при различных нагрузках по взаимодействующим фазам,. Цель изобретения - повьппение эффективности сепарации капель в межтарельчатом пространстве при различных нагрузке и давлении газа.В предлагаемой колонне степеньсепарации капель жидкости из потокагаза значительно выше по сравнениюс известной колонной при различныхнагрузках и.давлении газа, Изменениенагрузки по газу в интервале 40 Х отрасчетного (заданного) значения при-сводит к уменьшению степени сепарациикапель в межтарельчатом пространстведо 65 мас,3, В предлагаемой колоннево всем этом интервале выгрузки улавлование капельной жидкости поддерживается на постоянном уровне, обеспечивающем высокую степень сепарациикапель и составляющем 93,2-93,5 мас.7Поддержание высокой степени сепарации капель в широком интервале изменения нагрузок фаз является весьма сложной задачей.На фиг.1 изображена колонна, видсбоку; на Фиг.2 - разрез А-А на Фиг.на фиг.3 - узел 1 на фиг.1.В корпусе 1 колонны расположеныпо высоте, например, четыре пленочнытарелки 2 и 3. Каждая пленочная тарелка выполнена из сплошного горнэонтального листа 4 с закрепленными нанем вертикальными патрубками 5 и 6,установленными параллельными рядами.В каждом отдельном ряду 7 и 8, например, на тарелке 2 патрубки соответственно 5 или 6 имеют одинаковыйдиаметр, а в каждом последующем ряденапример 9 или 10, на смежной тарелке 3 патрубки имеют другой диаметр,Патрубки 5 и 6 имеют одинаковое отношение длины к диаметру. Каждая тарелка 2 и 3 снабжена механизмом 1для продольного перемещения, имеюшимнапример, общий привод 12, Диаметрпатрубков 5 и 6 на каждой тарелке 2чередуется при переходе от ряда кряду, Патрубки 5 и 6 крепятся к лис там тарелки 2 и 3 средней своей частью и снабжены отверстиями 13 для отвода жидкости с поверхности тарел.ки. Нижняя кромка отверстий 13 выполнена заподлицо с верхнеи поверх-.ностью горизонтального листа 4 та 5релки 2 или 3, что позволяет обеспечить беспрепятственный сток жидкости с верхней поверхности листа 4внутрь патрубков 5 и б, а .следовательно, уменьшить металлоемкостьконструкции. Расстояние между любыми смежными тарелками 2 и 3 можетизменяться в интервале от половиныдлины патрубка большого диаметра допяти диаметров патрубка малого диа 1 метра. Из-за того, что в предлагаемой колонне патрубки 5 и 6 крепятся к листу 4 каждой тарелки 2 или 3средней своей частью, то при сближении смежных тарелок 2 и 3 можно обес.20 печить между ними наименьшее расстояние, равное половине длины пат"рубка большого диаметра (при любомдругом взаимном расположении патруб-ка и листа тарелки указанное мини мальное расстояние между тарелкамине может быть обеспечено).Колонна работает следующим образом.При работе на расчетных (заданных) нагрузке и давлении газа тарелки 2 и 3 расположены одна относительно. другой так, как показано нафиг1. Жидкость из распределителяорошения (фиг,1 не показан) подает-ся на горизонтальный лист 4 верхнейтарелки 2 и движется по нему в видепленки, которая через отверстия 13 е для отвода жидкости равномерно распределяется по внутренним поверхностям патрубков 5 и 6 и под дейст 40вием силы тяжести стекает сверхувниз в виде пленки и подается насплошной горизонтальный лист 4 нижележащей смежной тарелки 3. По этойтарелке 3 жидкость движется описан 45ным выше способом.В случае отсутствия отверстий13 для отвода жидкости в патрубкахмалого 5 и большого 6 диаметров происходило бы накопление жидкости наверхней плоскости листа 4 тарелок502 и 3 до минимального уровня, соответствующего верхним торцам патрубков 5 малого диаметра. Наличие стользначительного количества жидкости налисте 4 тарелки привело бы к существенному утяжелению последней и потребовало бы увеличения прочности конструкции, а следовательно, повышения74 4патрубочных пространствах. Чередою ванне на каждой тарелке 2 или З,при переходе от ряда к ряду патрубков большого 5 и малого 6 диаметров обеспечивает равномерную пространственную неоднородность потока газа по расходу на каждой тарелке и смещение этой неоднородности на один ряд при переходе на смежную тарелку таким образом, что суммарный расход газового потока по патрубкам двух смежных тарелок одинаков, Этим обеспечивается продольное секционирование гаЗового потока, т.е, вся промышленная колонна состоит как бы из параллельно работающих секций, каждая из которых включает два смежных ряда патрубков на всех тарелках колонны, расположенных одна над другой. Результаты, полученные при лабораторных испытаниях на одной такой секции, можно надежно (без учета коэффициента масштабного перехода) переносить на промышленную колонну, как бы состоящую из параллельно работающих секций.При уменьшении по производственной необходимости нагрузки и давления газа ниже расчетных значений, в условиях расположения одна относительно .другой тарелок 2 и 3 (фиг.1), скорость газа в патрубках 5 и 6 тарелок 2 и 3 снижается и эффективность сепарации капель в межтарельчатом пространстве падает. Для устранения этого явления с помощью механизма 11 для продольного перемещения и привода 12 уменьшают расстояние между смежными тарелками 2 и 3 вплоть до полного прекрытия сечения патрубков большого диаметра. С уменьшением расстояния между смежными тарелками 2 и 3 верхние торцы патрубков больших диаметров 6 нижней тарелки 3 заходят за нижние торцы патрубков большого диаметра 6 верхней тарелки 2. Такое взаимное расположение торцов патрубков приводит к увеличению коэффициента газодинамического сопротивления патрубков большого диаметра, возрастанию перепада давления на них. В результате газ начинает преимущественно проходить через патрубки малого диаметра 5, а скорость газа в патрубках возрастает. Эффективность сепарации капель в межтарельчатом пространстве восстанавливается до расчетного (заданного) значения. В случае дальнейшего уменьшения по про изводственной необходимости нагрузки 15 30 50 3 12322ее металлоемкости. Поскольку в этомслучае (при отсутствии отверстий 13)жидкость стекала бы преимущественнопо внутренней поверхности патрубков5 малого диаметра, очевидно, чтопредельно допустимые нагрузки по газу, превышение которых вызывает уноскапель с пленки жидкости, стекающейпо внутренней поверхности патрубков5, были бы существенно ниже, что 1 Опривело бы к снижению производительности колонны в целом Кроме того,в этом случае вследствие уменьшениясвободного диаметра для проходагаза у патрубков малого диаметра 5(за счет наличия в них пленки жидкости) происходило бы увеличение отношения длины патрубка к этому диаметру. Это приводило бы к возрастанию коэффициента гидравлического20сопротивления и, следовательно, кснижению скорости струй газа в патрубках, а значит, к уменьшению силы удара этих струй о вышележащийлист тарелки с соответствующим уменьшением эффекта сепарации,Поток газа, содержащий капли жидкости, поступает к первой по ходугаза тарелке 3 из нижней части колонны и разделяется в патрубках 5 и 6тарелки 3 на вертикальные струи,скорость движения которых выше скорости потока газа в нижней части колонны (из-за того, что площадь свободного сечения тарелки 3 меньшеплощади поперечного сечения корпусаколонны). При выходе из патрубков5 и 6 тарелки 3 струи газа, содержащие капли жидкости, ударяются олист 4 вьппележащей смежной тарелки402 в межпатрубочных пространствах,после чего эти струи изменяют в пространстве скорость и направление движения. Из-за того, что патрубки большого и малого диаметров 5 и 6 имеютодинаковое отношение длины к диаметру, они обладают по отношению к струям газа равным коэффициентом газодинамического сопротивления, т,е.перепад давления на патрубках большого и малого диаметров примерноодинаков. Это приводит к тому, что впатрубках 5 и 6 обеспечивается одинаковая скорость струй газа (одинаковый динамический напор) и при вы ходе из патрубков 5 и 6 малого и большого диаметра струи газа имеют практически одинаковую на единицу площади силу удара о лист тарелки в меж12322 и давления газа ниже расчетных значений расстояние между смежными тарелками 2 и 3 уменьшают до полного перекрытия сечения патрубков 6 большого диаметра. Газ в этом случае дви 5 жется только по патрубкам 5 малого диаметра, скорость его вновь возрастает и эффект инерционного отделения капель жидкости от газа восстанавливается до расчетного (заданного) значения.При увеличении по производственной необходимости нагрузки и давле-, ния газа выше расчетных значений, в условиях расположения тарелок 2 и 3 одна относительно другой (фиг,1,), скорость газа впатрубках 5 и 6 тарелок 2 и 3 повышается. Это приводит к срыву капель с поверхности стекающей пленки жидкости встречным потоком газа, что вызывает вторичный капельный унос и снижает эффективность сепарации капель в межтарель" чатом пространстве колонны. Для устранения этого явления с помощью ме ханизма 11 для продольного перемещения и привода 12 необходимо увеличить расстояние между смежными тарелками 2 и 3 вплоть до максимальной величины, равной пяти диаметрам патрубка 5 малого диаметра. С увеличением расстояния между смежными тарелками 2 и 3 уменьшается коэффициент газодинамического сопротивления патрубков в целом и, прежде всего, патрубков большого диаметра,35 а скорость газа в патрубках прямо пропорциональна величине корня квадратного из коэффициента газодинамического сопротивления, Следовательно с увеличением расстояния между смежными тарелками 2 и 3 происходит снижение скорости газа в патрубках 5 и 6, срыв капель жидкости с поверхности стекающей пленки прекращается, и эффект инерционного отделения капель жидкости от газа восстанавливается до расчетного (заданного)значения.П р и м е р,.Испытания известной колонны и предлагаемой проводят всопоставимых условиях на модельнойустановке с колонной из стали 12 Х 18 Н 10 Т ;и диаметром 0,5 м, Обе колонны исполь зуют в испытаниях в качестве капле-отделительных устройств, устанавливаемых под распределителем жидкостив верхней части колонны того же диаметра, снабженной шестью провальными 74 6тарелками площадью свободного сече.ния 157, установленными на расстоянии 0,3 м одна от другой. Испытанияпроводят при атмосферном давлениина системе вода-воздух. При этомскоростной напор струй в патрубкахтарелок, равный рУ/2 (где р - плотность газа, У - скорость газа в патрубках), изменяют за счет измененияскорости газа, Аналогичные результаты, как видно из таблицы, можнополучить при изменении скоростногонапора за счет изменения давления.Пробы газа на содержание воды отбираются до и после каплеотделительныхустройств: известной колонны ипредлагаемой. Количество воды в пробе определяют методом ее "вымораживания", Воду на первую провальнуютарелку подают через распределительжидкости с расходом в расчете на поперечное сечение патрубков 1,2 кг/ мс,Расход воздуха в патрубках известнойколонны и предлагаемой (ниже приведены ее геометрические параметры) поддерживают в диапазоне 0,10-0,23 м /с.Колонны содержат по четыре тарелки,причем в известной колонне смежныетарелки установлены на расстоянии80 мм одна от другой. Каждая тарелка этой колонны содержит патрубкибольшого 32 х 2 мм и малого 25 х 2 ммдиаметра, причем на первой по ходугаза тарелке большие патрубки32 х 2 мм установлены в периферийныхрядах. Лист тарелки имеет толщину2 мм, верхние торцы патрубков выступают над листом тарелки на 4 мм,В предлагаемой колонне патрубки большого диаметра 32 х 2 мм и малого 25 х 2 мм выполнены чередующимися в соседних рядах. Длина патрубков большого диаметра 98 мм, а малого диаметра - 73,5 мм, т.е, оба типоразмера патрубков имеют длину, равную 3,5 их внутренним диаметрам, Патруб-. ки крепятся к тарелке своей средней частью. Каждый патрубок имеет четыре отверстия диаметром 3 мм, нижняя кромка которых выполнена заподлицо с верхней плоскостью тарелки. Результаты испытаний колонн представлены в таблице. В этой таблице опыт 1 относится к расчетной (заданной) для известной колонны нагрузке по газу, опыты 2-4 - к пониженной по сравнению с расчетной (заданной) нагрузкой по газу, опыты 5-7 - к повышен7 1232274 8 ной по сравнению с расчетной (задан 93,2-93,5 мас.Е, Таким образом, изной) нагрузкой по газу. менение, нагрузок по газу в известной колонне до 407 приводит к уменьшению степени сепарации капель до65 мас.7, в то время как в предлагаемой колонне во всем интерваленагрузок по газу улавливание капелькой жидкости поддерживается на постоянном уровне, обеспечивающем вы 1 О сокую степень сепарации капель исоставляющем 93,2-93,5 мас.Х. Нагрузка Расстояние между тарелкамипо газу, колонны, ммм/сизвестной предлагаемой Опыт Нагрузкажидкости,кг/(мс) Степень сепарации капель в колонне, мас.Ж известной .предлагаемой 93,4 80 80 0,17 89,2 2 80 70 1,2 0,15 60 82,0 80 1,2 0,13 49 80 71,3 1,2 0,10 87,0 80 90 1,2 0,19 80 79,4 100 1,2 65,2 1,2 0,23 80 105 А-А В результате испытаний установлено, что в сопоставимых условиях, при изменении нагрузки по газу в интервале 407 от расчетного (заданного) значения, сепарация капель в известной колонне лежит в интервале 65-933, а в предлагаемой колонне во всем интервале по газу нагрузок -93,50 93,40 93,55 93,50 93,50 93,60 93,20