МАССООБМЕННОЕ КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА
MASS-TRANSFER CONTACT DEVICE FOR INTERACTION BETWEEN FLUID AND GAS

Изобретение относится к конструкциям массообменных контактных устройств и может быть использовано в процессах противоточного взаимодействия газа (пара) и жидкости, массообмена в системах газ - жидкость в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, нефтяной, химической и пищевой промышленности.
3
2
Известен массообменный аппарат, состоящий из зигзагообразных перегородок, образующих зигзагообразный канал, и вертикальных контактных решеток, установленных между ними. Основным недостатком данного аппарата является низкая эффективность работы при высоких нагрузках по жидкости (свыше 150 м/мч), что объясняется возникновением поперечных волн жидкости на зигзагообразных перегородках, приводящих к нарушению равномерного распределения контактирующих фаз по сечению аппарата. Возникновение поперечных волн происходит вследствие свободного перетока жидкости вдоль кромок гиба зигзагообразных перегородок (а.с. №394068).
Отмеченный недостаток частично устранен в аппарате с гидрозатвором. В этом аппарате на ступени контакта, вследствие наличия сливной перегородки, поддерживается фиксированный, не возбужденный газовым потоком уровень жидкости, что способствует ее равномерному распределению вдоль кромок гиба зигзагообразных перегородок (а.с. №243572).
Однако недостатком этого аппарата является невысокая нагрузка по газу при больших плотностях орошения, так как наличие гидрозатвора значительно уменьшает свободное сечение аппарата.
Известен блок структурированной насадки для тепломассообменных аппаратов, включающий вертикально расположенные гофрированные металлические просечно-вытяжные листы (ПМ №14014).
Наиболее близкое изобретение, принятое за прототип (а.с. 1327897), где в точке соприкосновения волнистой зигзагообразной перегородки и струны поток жидкости делится на две равные части, жидкость в виде пленки стекает по перегородке и струне, таким образом струны выполняют роль контакно-распределительных устройств. Газ подается вниз аппарата, контактирует с поверхностью жидкости, не нарушая ее пленочного движения. Исполнение перегородок волнистой формы необходимо для смачивания внутренней поверхности перегородки. Таким образом, поверхностью контакта фаз не может быть больше поверхности насадки, внесенной в объем аппарата.
3
2
Целью изобретения является увеличение интенсивности массообмена в аппарате, работающем с большой плотностью орошения (от 50 до 300 м/мч), путем создания динамических свободных пленок жидкости за каждой вертикальной струной, которые в данном изобретении именуются стержнями 2 (фиг.1), так как могут иметь разное (круглое, каплевидное) сечение, с одновременным секционированием каналов, образованных зигзагообразными перегородками 1, вертикальными секционирующими пластинами для устранения волнообразования в поперечном сечении аппарата и ликвидации локальных неравномерностей. При больших плотностях орошения по вертикали колонны, заполненной массообменной насадкой может возникать неравномерность течения жидкости, а именно унос большей части жидкости к той или иной стенке колонны, который приводит к уменьшению поверхности контакта газ-жидкость и к ухудшению количественных характеристик массообмена. Для предотвращения волнообразования, для равномерного заполнения зигзагообразных каналов и сохранения свободной поверхности жидкости за каждым стержнем по всему объему насадки устанавливают регулярные вертикальные секционирующие пластины 3. Иллюстрация влияния вертикальных секционирующих пластин на равномерность распределения потока приведена на фиг.2.
Указанная цель достигается за счет следующих конструктивных особенностей:
- зигзагообразные перегородки 1 выполняют с соотношением Н/А=1,2÷3,25, где Н - расстояние между кромкой гиба зигзагообразной перегородки (высота контактной камеры), А - (35-75 мм) расстояние между соседними зигзагообразными перегородками (ширина контактной камеры);
- радиус кромки гиба зигзагообразных перегородок выполняют не более 3 мм, чтобы поток жидкости срывался с острой кромки;
- перпендикулярно кромкам гиба, примыкая к ним любым известным способом, крепят стержни 2 либо круглого, либо каплевидного сечения;
- в каналах, образованных смежными зигзагообразными перегородками 1 устанавливают вертикальные секционирующие пластины 3 в шахматном порядке (длина контактной камеры);
3
2
В результате теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что при выполнении указанных выше конструкивных параметров создаются гидродинамические условия, позволяющие осуществить взаимодействие газа и жидкости при плотностях орошения 50-300 м/мч, причем на каждой ступени контакта за каждым стержнем 2 стекающая жидкость образует свободные динамические параллельные вибрирующие пленки 4, разделенные газом, которые достигают противоположной зигзагообразной перегородки, перемешиваются с другими свободными пленками, далее жидкость стекает на нижележащую ступень контакта, где процесс повторяется (фиг.3).
Газ, поднимаясь противотоком снизу, проходит между свободными пленками и, проходя между стержнями 2, рассекает жидкость, способствуя равномерному орошению жидкостью каждого стержня.
Таким образом, в отличие от прототипа в предлагаемом аппарате поверхность контакта фаз существенно больше поверхности смоченных контактных элементов (Таб.1).
Таблица 1.
Удельная поверхность контакта фаз массообменных контактных устройств (МКУ)
Н\А
1.2
1.6
2.0
2.4
3.0
По прототипу
70.9
66
63.5
62.2
61
Предлагаемого МКУ
121
116
113.5
112.2
111
3
2
Форма сечения и диаметр стержней 2, шаг между стержнями, расстояние между вертикальными секционирующими пластинами зависят от свойств обрабатываемой жидкости и расходных характеристик газа и жидкости. Такое массообменное контактное устройство наиболее целесообразно применять в процессах противоточного взаимодействия газа и жидкости, когда по технологии требуются высокие плотности орошения (50-300 м/мч).
Из таблицы видно, что при выполнении заявленных конструктивных параметров техническим результатом изобретения является удвоение поверхности контакта фаз за счет образования свободных динамических пленок жидкости, причем увеличение поверхности достигается без увеличения удельного объема контактных устройств, и, следовательно, практически вдвое повышается интенсивность массобмена между жидкостью и газом. Таких плотностей орошения, в сочетании с поверхностью контакта фаз, в устройствах-аналогах и по прототипу достигнуть не удавалось.
При соотношении Н/А менее 1,2 снижается плотность орошения и предельная скорость газа, а режим образования динамических пленок становится неустойчивым. Увеличение соотношения Н/А свыше 3,25 приводит к резкому снижению эффективности массосбмена в аппарате вследствие сокращения числа контактов газа и жидкости на единицу высоты насадки и уменьшение поверхности контакта газа с жидкостью при незначительном росте его производительности.
Секционирование зигзагообразных перегородок 1 вертикальными секционирующими пластинами 3 препятствует свободному перетоку жидкости вдоль кромок гиба зигзагообразных перегородок, что значительно снижает волнообразование в поперечном сечении аппарата. Для ликвидации локальных неравномерностей плотности орошения в сечении аппарата и улучшения перемешивания жидкости - вертикальные секционирующие пластины в смежных зигзагообразных перегородках, образующих сквозной вертикальный канал, располагают в шахматном порядке. Такое расположение секционирующих пластин 3 дает возможность жидкости перераспределяться по сечению аппарата, что в конечном итоге приводит к увеличению эффективности работы устройства в целом (фиг.2).
Совокупность отличительных признаков заявляемого устройства придает ему новые свойства, благодаря которым и обеспечивается достижение технического результата, а именно:
- увеличение интенсивности процесса массообмена при больших плотностях орошения;
3
2
- увеличение плотности орошения до 300 м/мч.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция массообменного аппарата, а на фиг.2 - схема движения потока жидкости в зигзагообразном канале с вертикальными секционирующими пластинами, на фиг.3 изображено поведение жидкости в процессе противоточного движения с газом.
Массообменный аппарат включает корпус, штуцера ввода и вывода реагентов (не показано), и массообменное контактное устройство, являющееся предметом изобретения, которое состоит из зигзагообразных перегородок 1, стержней 2, вертикальных секционирующих пластин 3. Перегородки 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 свободных динамических параллельных вибрирующих пленок в форме паруса 4, как показано на фиг.3. Вертикальные секционирующие пластины 3, имеющие форму равнобедренных-треугольников, двумя равными сторонами крепятся к зигзагообразным перегородкам 1, при этом зигзагообразный канал секционируется на участки, ограниченные зигзагообразной перегородкой 1, рядом стержней 2 и двумя соседними вертикальными секционирующими пластинами 3. Шахматное расположение пластин на противоположных зигзагообразных перегородках 1 исключает образование в пределах одного зигзагообразного канала нескольких автономных сквозных сверху до низа каналов, так как каждый вышележащий участок сообщается с двумя нижележащими (фиг.2).
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 плотностях орошения огибает стержень и под воздействием идущего снизу газа образует так называемые «паруса» 4 или двусторонние свободнопадающие вибрирующие пленки, которые имеют поверхность массобмена, не зависящую от площади контактных устройств и многократно ее превышающую (фиг 3);
- газ поступает в нижнюю часть аппарата, поднимается по сквозным зигзагообразным каналам вверх, поддерживая свободнопадающие пленки и, в конце концов разрывая их на капли и струи. Капли жидкости отбрасываются на противоположные зигзагообразные перегородки 1 и стекают на нижележащую ступень контакта, где процесс образования «парусов» и взаимодействия жидкости и газа повторяется.
Установка вертикальных секционирующих пластин в предлагаемом аппарате дает следующий технический результат: при больших плотностях орошения свободнопадающая жидкость не имеет свободного перетока вдоль всей длины кромки гиба перегородки 1 в поперечном направлении, что препятствует перетоку жидкости в один из краев и проскоку газа. В пределах одного участка, ограниченного соседними вертикальными секционирующими пластинами 3, наложение первичных и отраженных от вертикальных секционирующих пластин 3 волн выравнивает уровень жидкости. Шахматное расположение вертикальных секционирующих пластин в канале дает возможность жидкости 5 перетекать из одного участка в два соседних и в случае неравномерной подачи жидкости распределительным устройством - перераспределяться (фиг.2) и равномерно орошать все сечение аппарата. При этом ликвидируется возможность образования в сечении аппарата автономных потоков газа и жидкости, повышается эффективность их взаимодействия, т.е. интенсивность массобмена.
3
2
Таким образом массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохода жидкости и газа и вертикальные стержни, плотно примыкающие к кромкам гиба зигзагообразных перегородок у которого на противоположных зигзагообразных перегородках в шахматном порядке закреплены вертикальные секционирующие пластины, при этом зигзагообразные перегородки выполнены с соотношением Н/А=1,2÷3,25, где Н - расстояние между кромками гиба зигзагообразной перегородки, А - расстояние между зигзагообразными перегородками в диапазоне от 35 до 75 мм, а радиус кромки гиба зигзагообразных перегородок равен не более 3 мм, можно использовать при плотностях орошения жидкостью 50-300 м/мч, причем поверхность контакта фаз и, следовательно, интенсивность массобмена возрастает в два раза.