МАССООБМЕННОЕ КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Полезная модель относится к тепломассообменной технике, а именно к конструкциям массообменных насадочных контактных устройств, и может быть использовано в нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности для массообменных процессов взаимодействия жидкости и газа.
Известен тепломассообменный аппарат, состоящий из волнистых зигзагообразных перегородок и вертикальных струн, установленных между перегородками, в котором достигается равномерное пленочное течение жидкости по поверхности перегородок и струн. Газ, подаваемый вниз аппарата, контактирует с поверхностью жидкости, не нарушая ее пленочного течения (SU, A1, №1327897, 1987).
Недостатком данной конструкции является ограниченная поверхность межфазного контакта, и, следовательно, интенсивность массопереноса, поскольку поверхность контакта фаз не может быть больше поверхности самой насадки.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между вертикальными стержнями и зигзагообразными перегородками (RU, C1, №2461406, 2010).
Известное решение позволяет увеличить поверхности межфазного контакта за счет замены волнистой зигзагообразной перегородки с большим радиусом гиба на зигзагообразную перегородку с острыми углами гиба, когда радиус кромки гиба не превышает 3 мм. Такая конструкция насадки способствует увеличению поверхности контакта фаз за счет создания динамических свободных пленок жидкости за каждым вертикальным стержнем и срыва потока жидкости с острых кромок зигзагообразных перегородок в местах непримыкания к ним стержней и последующим распадом жидкости на капли.
Недостатком данной конструкции является то, что в аппарате создаются благоприятные условия для пенообразования, поскольку и обдувание динамически свободных тонких пленок жидкости газом, и удары капель жидкости о пленку способствуют формированию пузырей. В случае с непенящимися жидкостями (вода, бензин) пузыри быстро схлопываются и существенно не препятствуют работе аппарата, а в случае с пенящимися (нефть, мазут, дизельное топливо) происходит накапливание пузырей с образованием пены, которая перекрывает проход газу. При этом гидродинамический режим аппарата принципиально меняется и скорость захлебывания кратно снижается.
Заявленная полезная модель направлена на устранение данного недостатка.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели обеспечивается тем, что в массообменном контактном устройстве для взаимодействия жидкости и газа, содержащем зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между вертикальными стержнями и зигзагообразными перегородками, зигзагообразные перегородки выполнены с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, и радиусами гиба зигзагообразных перегородок 5÷20 мм, при этом расстояние между вертикальными стержнями t=12÷28 мм, а вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15÷0,30А.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - принципиальная схема узла сопряжения зигзагообразной перегородки и секционирующей трапецеидальной пластины.
Массообменный аппарат включает корпус штуцера ввода и вывода реагентов (не показано), и массообменное контактное устройство, содержащее зигзагообразные перегородки 1, стержни 2 и вертикальные секционирующие пластины 3. Перегородки 1 образуют сквозной зигзагообразный канал для прохода жидкости и газа. Стержни 2 плотно прилегают к перегородкам 1 в местах гиба последних и способствуют направленному срыву жидкости с образованием динамически-устойчивых, как бы натягивающихся между стержнем 2 и перегородкой 1, параллельных пленок.
Зигзагообразные перегородки 1 выполняются с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта. Экспериментально было установлено, что в этих диапазонах величин H и А наблюдается наиболее устойчивые динамические пленки с наименьшим дроблением их на капли. При уменьшении соотношения Н/А менее 0,6 или увеличении более 2,0 устойчивость пленки резко снижается и происходит нежелаемое дробление пленки на капли.
Выполнение зигзагообразной перегородки 1 с радиусом гиба 5÷20 мм обеспечивает сплошность пленки жидкости и сохранение ее на поверхности перегородки 1 в месте гиба, как это не имело бы место быть в случае с острой кромкой гиба, менее 3 мм.
Зигзагообразную перегородку выполняют с радиусом гиба 5÷20 мм, для того чтобы, пленка жидкости не срывалась с перегородки в месте гиба, как в случае с острой кромкой, перетекала по той же перегородке, изменяя направление на ее внутреннюю сторону. При радиусе гиба более 20 мм формирование динамических пленок прекращается и все жидкость начинает стекать по зигзагообразным перегородкам. При этом эффективность работы аппарата резко снижается.
Расстояние между вертикальными стержнями выполняют с шагом t=12÷28 мм, поскольку в таком диапазоне шага стержней установлен максимальный эффект образования динамически устойчивых двухсторонних пленок жидкости между стержнями 2 и зигзагообразными перегородками 1 с обратной стороны стержня 2 по направлению движения жидкости. При этом практически прекращается срыв динамически свободных пленок за каждым вертикальным стержнем 2 по направлению движения жидкости.
Динамическая устойчивость внутренних пленок обуславливается действием сил поверхностного натяжения, поскольку пленка, с одной стороны, «цепляется» за жидкость стекающую по стержням 2, а с другой - за жидкость, стекающую по стенке зигзагообразной перегородки 1.
Вертикальные секционирующие пластины 3 имеют форму равнобедренных трапеций и своими боковыми сторонами крепятся к зигзагообразным перегородкам 1, формируя пропускное окно 4 между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки 1 высотой усеченной части h=0,15÷0,3Н. Установлено, что влияние трапецеидальных секционирующих пластин 3 обеспечивает дополнительное выравнивание движения газа по сечению аппарата за счет его перетока в образовавшиеся окна 4 в горизонтальном сечении, что в целом положительно влияет на увеличение производительности аппарата по газу при работе на пенящихся жидкостях.
Аппарат работает следующим образом:
Жидкость подается в верхнюю часть аппарата и с помощью распределительного устройства поступает в каждый сквозной зигзагообразный канал, в котором стекает по зигзагообразным перегородкам 1. В местах соединения зигзагообразных перегородок 1 с стержнями 2 жидкость, при указанных размерах аппарата за счет сил поверхностного натяжения, стекая вниз, преобразуется в динамически устойчивые пленки, которые натягиваются между зигзагообразными перегородками 1 и стержнями 2. Пленки имеют форму треугольника, сохраняют свою устойчивость, не дробятся на капли.
Газ, поступая в нижнюю часть аппарата, поднимается по сквозным зигзагообразным каналам вверх, контактирует с динамически-устойчивыми пленками жидкости, не разрывая их на капли, и не формируя пузырей жидкости. В результате чего достигается режим работы аппарата, не способствующий пенообразованию.
Таким образом, массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки 1, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохода жидкости и газа, и вертикальные стержни 2, плотно примыкающие к кромкам гиба зигзагообразных перегородок I, у которого на противоположных зигзагообразных перегородках 1 в шахматном порядке закреплены вертикальные секционирующие пластины 3, при этом зигзагообразные перегородки 1 выполнены с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, и радиусами гиба зигзагообразных перегородок 5÷20 мм, при этом расстояние между вертикальными стержнями t=12÷28 мм, а вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15÷0,30А можно использовать при работе на пенящихся жидкостях, при высоких нагрузках по жидкости, при этом предельная скорость газа в аппарате возрастет в 3÷5 раз.
3
2
Заявленная полезная модель позволяет увеличить производительность аппарата по газу при работе с пенящимися жидкостями на больших плотностях орошения более 100 м/м ч, путем минимизации доли жидкости, находящейся в аппарате в форме динамически-свободных пленках и в каплях.
Совокупность отличительных признаков заявленного устройства придают ему новые свойства, благодаря которым и обеспечивается технический результат, а именно увеличение производительности работы аппарата по газу при работе с пенящимися жидкостями при больших плотностях орошения.
В результате теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что при выполнении указанных выше конструктивных параметров создаются гидродинамические условия, позволяющие значительно увеличить производительность аппарата по газу при работе на пенящейся жидкости (система нефть Покровского месторождения - углеводородный газ).
Скорость захлебывания аппарата (м/с) при плотностях орошения (м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>*ч)
50
100
150
200
250
По прототипу
3,1
1,2
0,8
0,3
0,2
Предлагаемое массообменное контактное устройство (МКО)
3,7
2,8
2,2
1,7
1,5
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Таблица №1
Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различных отношениях H/a и плотности орошения 150 м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>-ч
H/a
0,3
0,5
0,6
1,0
1,5
2,0
2.2
2,5
W
0,9
1,5
1,8
2,0
2,1
2,0
1,7
1,3
Таблица №2
Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) и поверхность межфазного контакта (F, м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>) при различном радиусе гиба зигзагообразных перегородок (R, мм) и плотности орошения 150 м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>-ч,
R
2,5
5
10
15
20
25
W
0,8
1,5
1,8
2,0
2,2
2,3
F
118,4
183,2
185,6
193,4
187,1
137,4
Таблица №3
Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различном расстоянии между вертикальными стержнями (t, мм) и плотности орошения 150 м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>-ч
t
9
12
15
20
25
28
31
W
1,3
1,8
2,0
2,2
2,1
2,0
1,4
Таблица №4
Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различной высоте усеченной части трапецеидальной перегородки (h) и плотности орошения 150 м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>-ч
h
0,1H
0,15H
0,2H
0,25H
0,3H
0,35H
W
1,8
2,2
2,2
2,2
2,1
1,7