Колонна для проведения тепломассообменных процессов между газом и жидкостью

Колонна для проведения тепломассообменных процессов между газом и жидкостью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 В 01 Р 3/28 3 32

OllHCAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3836879/23-26 (22) 04.01.85 (46) 23.05.86. Бюл, И 19 (72) M.E.Ñêâèðñêèé, В.И.Чернышев, В.AiГерцовский, Н,А.Пальмова, Ф.А.Бикбавов, В.Г.Лещев, С.К.Кустов и А.И.Драньков (53) 66.015,23 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1068135, кл. В 01 D 3/28, 1982. (54)(57) КОЛОННА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОХАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ МЕЖДУ ГА30М И ЖИДКОСТЬЮ, содержащая корпус, расположенные в корпусе по высоте и снабженные механизмом для продольного перемещения пленочные тарелки в виде сплошного горизонтального листа с закрепленными на ней вертикальными патрубками, установленными параллельными рядами, причем в каж,. Я0„„1232274 А 1 дом отдельном ряду патрубки имеют одинаковый диаметр, а в последующих рядах на смежных тарелках разные диаметры, и патрубки имеют одинаковое отношение длины к диаметру, о тл и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения эффективности сепа- рации капель в межтарельчатом пространстве при различных нагрузке и давлении газа, диаметр патрубков на каждой тарелке чередуется при переходе от ряда к ряду, патрубки крепятся к листу тарелки средней своей частью, выполнены с отверстиями для отвода жидкости с поверхности тарелки и расстояние между смежными тарелками изменяется в интервале от половины длины патрубка большого диаметра до пяти диаметров патрубка малого диаметра.

2274 2

3 123

Изобретение относится к колоннам для проведения тепломассообменных процессов между газом и жидкостью, применяемых в процессах неиэотерми" ческой абсорбции, ректификации, а также испарения и конденсации для обеспечения высокой эффективности процессов тепломассообмена при различных нагрузках по взаимодействующим фазам, . Цель изобретения — повьппение эффективности сепарации капель в меж- . тарельчатом пространстве при различных нагрузке и давлении газа.

В предлагаемой колонне степень сепарации капель жидкости из потока газа значительно выше по сравнению .с известной колонной при различных нагрузках и.давлении газа. Изменение нагрузки по газу в интервале 40Х от расчетного (заданного) значения приводит к уменьшению степени сепарации капель в межтарельчатом пространстве до 65 мас.Е. В предлагаемой колонне во всем этом интервале выгрузки улав лование капельной жидкости поддерживается на постоянном уровне, обеспечивающем высокую степень сепарации капель и составляющем 93,2-93,5 мас.7

Поддержание высокой степени сепарации капель в широком интервале изменения нагрузок фаз является весьма сложной задачей.

На фиг.1 изображена колонна, вид сбоку; на фиг.2 — разрез А-А на фиг 1 на фиг.3 — узел ) на фиг.1.

В корпусе I колонны расположены по высоте, например, четыре пленочны тарелки 2 и 3. Каждая пленочная тарелка выполнена из сплошного горнэон. тального листа 4 с закрепленными на нем 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 одинаковый диаметр, а в каждом последующем ряде например 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 11 для продольного перемещения, имеюшим например, общий привод 12. Диаметр патрубков 5 и 6 на каждой тарелке 2 чередуется при переходе от ряда к ряду. Патрубки 5 и 6 крепятся к лис там тарелки 2 и 3 средней своей частью и снабжены отверстиями 13 для отвода жидкости с поверхности тарелки. Нижняя кромка отверстий 13 выполнена заподлицо с верхней поверх-. ностью горизонтального листа 4 та5 релки 2 или 3, что позволяет обеспечить беспрепятственный сток жидкости с верхней поверхности листа 4 внутрь патрубков 5 и 6, а .следовательно, уменьшить металлоемкость конструкции. Расстояние между любыми смежными тарелками 2 и 3 может изменяться в интервале от половины длины патрубка большого диаметра до пяти диаметров патрубка малого диа15 метра. Из-за того, что в предлагаемой колонне патрубки 5 и 6 крепятся к листу 4 каждой тарелки 2 или 3 средней своей частью, то при сближении смежных тарелок 2 и 3 можно обесZO печить между ними наименьшее расстояние, равное половине длины патрубка большого диаметра (при любом другом взаимном расположении патруб- ка и листа тарелки указанное мини 5 мальное расстояние между тарелками не 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 на фиг ° 1. Жидкость из распределителя орошения (фиг.1 не показан) подает- ся на горизонтальный лист 4 верхней тарелки 2 и движется по нему в виде пленки, которая через отверстия 13 е для отвода жидкости равномерно распределяется по внутренним поверхностям патрубков 5 и 6 и rrop дейст40 вием силы тяжести стекает сверху вниз в виде пленки и подается на сплошной горизонтальный лист 4 ниже лежащей смежной тарелки 3. По этой тарелке 3 жидкость движется описан45 ным выше способом.

В случае отсутствия отверстий

13 для отвода жидкости в патрубках малого 5 и большого 6 диаметров происходило бы накопление жидкости на верхней плоскости листа 4 тарелок

2 и 3 до минимального уровня, соответствующего верхним торцам патрубков 5 малого диаметра. Наличие столь значительного количества жидкости на листе 4 тарелки привело бы к существенному утяжелению последней и потре бовало бы увеличения прочности конструкции, а следовательно, повышения

30

3 12322 ее металлоемкости. Поскольку в этом случае (при отсутствии отверстий 13) жидкость стекала бы преимущественно по внутренней поверхности патрубков

5 малого диаметра, очевидно, что предельно допустимые нагрузки по газу, превышение которых вызывает унос капель с пленки жидкости, стекающей по внутренней поверхности патрубков

5, были бы существенно ниже, что 1О привело бы к снижению производительности колонны в целом. Кроме того, в этом случае вследствие уменьшения свободного диаметра для прохода газа 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 гидравлического

20 сопротивления и, следовательно, к снижению скорости струй газа в патрубках, а значит, к уменьшению силы удара этих струй о вышележащий лист тарелки с соответствующим уменьшением эффекта сепарации.

Поток газа, содержащий капли жидкости, поступает к первой по ходу газа тарелке 3 из нижней части колонны и разделяется в патрубках 5 и 6 тарелки 3 на вертикальные струи, скорость движения которых выше скорости потока газа в нижней части колонны (из-за того, что площадь свободного сечения тарелки 3 меньше площади поперечного сечения корпуса колонны). При выходе из патрубков

5 и 6 тарелки 3 струи газа, содержащие капли жидкости, ударяются о лист 4 вьппележащей смежной тарелки

40 .2 в межпатрубочных пространствах, после чего эти струи изменяют в пространстве скорость и направление дви. жения. Из-за того, что патрубки боль. шого и малого диаметров 5 и 6 имеют одинаковое 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 примерно одинаков. Это приводит к тому, что в патрубках 5 и 6 обеспечивается одинаковая скорость струй газа (одинаковый динамический напор) и при вы1ходе из патрубков 5 и 6 малого и большого диаметра струи газа имеют практически одинаковую на единицу площади силу удара о лист тарелки в меж74 4 патрубочных пространствах. Чередог 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 та- . релок 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 рас— стояния 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

S 12322 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 дви5 жется только по патрубкам 5 мапого диаметра, скорость его вновь возрастает и эффект инерционного отделения капель жидкости от газа восста навливается 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 в патрубках 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 межтарельчатом пространстве колонны. Для устранения этого явления с помощью ме- 25 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.

Пример..Испытания известной колонны и предлагаемой проводят в сопоставимых условиях на модельной установке с колонной из стали 12Х18Н10Т

;и диаметром 0,5 м, Обе колонны исполь° зуют в испытаниях в качестве капле- отделительных устройств, устанавливаемых под распределителем жидкости в верхней части колонны того же диаметра, снабженной шестью провальными

74 6 тарелками площадью свободного сечения 157, установленными на расстоянии 0,3 м одна от другой. Испытания проводят при атмосферном давлении на системе вода-воздух. При этом скоростной напор струй в патрубках тарелок, равный pM/2 (где p - плотность газа, M — скорость газа в патрубках), изменяют за счет изменения скорости газа. Аналогичные результаты, как видно из таблицы, можно получить при изменении скоростного напора за счет изменения давления.

Пробы газа на содержание воды отбираются до и после каплеотделительных устройств: известной колонны и предлагаемой. Количество воды в пробе определяют методом ее "вымораживания", Воду на первую провальную тарелку подают через распределитель жидкости с расходом в расчете на поперечное сечение патрубков 1,2 кг/ мс, Расход -воздуха в патрубках известной колонны 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 смежные тарелки установлены на расстоянии

80 мм одна от другой. Каждая тарелка этой колонны содержит патрубки большого 32х2 мм и малого 25х2 мм диаметра, причем на первой по ходу газа тарелке большие патрубки 32х2 мм установлены в периферийных рядах. Лист тарелки имеет толщину

2 мм, верхние торцы патрубков выступают над листом тарелки на 4 мм.

В предлагаемой колонне патрубки большого диаметра 32х2 мм и малого

25х2 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 Ilo сравнению с расчетной (задан-- 93,2-93,5 мас.X. Таким образом, Н3ной) нагрузкой по газу. менение, нагрузок по газу в известной колонне до 40Х приводит к уменьшению степени сепарации капель до

65 мас.7, в то время как в предлагаемой колонне во всем интервале нагрузок по газу улавливание капелькой жидкости поддерживается на постоянном уровне, обеспечивающем вы1р сокую степень сепарации капель и составляющем 93,2-93,5 мас.X.

Нагрузка Расстояние между тарелками по газу, колонны, мм м /с известной предлагаемой

Опыт Нагрузка жидкости, кг/(мс) Степень сепарации капель в колонне, мас.X известной .предлагаемой

93,4

80

1,2

0,17

89,2

80

1,2

0,15

82,0

1,2

0,13

80

71,3

1,2

0,10

87,0

90

1,2

0,19

79,4

I00

1,2

65,2

1,2

0,23

105

А-A

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

65-93Х а в предлагаемой колонне во всем интервале по газу нагрузок—

93,50

93,40

93,55

93,50

93,50

93,60

93,20

1232274

Редактор Е.Папп Техред Н.Бонкало КорректорА, ференц ..

Заказ 2723/7 Тираж 663 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

-„ -по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4