КОНТАКТОР
CONTACT DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение касается контактора для выполнения контакта газ - жидкость, такого как абсорбция, отгонка и дистилляция, контакта жидкость - жидкость, такого как экстракция, и контакта газ - жидкость - твердое вещество, такого как каталитическая реакция жидкости, включая твердое тело, такое как суспензия, и газ.
Уровень техники
В промышленности, такой как нефтепереработка, газоочистка и нефтехимия, используется много процессов, таких как поглощение (абсорбция), отгонка, дистилляция, экстракция и каталитическая реакция, в которых отделение, очистка и превращение конкретного вещества осуществляется путем, например, создания контакта газа и жидкости друг с другом или создания контакта двух видов жидкостей друг с другом, чтобы использовать отдачу или прием вещества или энергии, которые переходят между этими текучими средами, реакцию между веществами и подобное. Например, контакторы, такие как поглотительная колонна, отгоночная колонна или экстракционная колонна, в которых две текучие среды в разных фазах заставляют контактировать друг с другом в колонне, чтобы способствовать массопереносу на поверхности раздела между текучими средами, и дистилляционная колонна, в которой температурный градиент задают в направлении высоты колонны, и отделение и очистка вещества осуществляются путем использования равновесия пар - жидкость, представляют собой оборудование, широко применяемое в этих процессах.
Обычно контактор обеспечивается механизмом для увеличения эффективности массопереноса путем диспергирования двух текучих сред очень хорошо друг в друге, чтобы сделать площадь контакта больше, и различные типы контакторов используются соответственно конкретной текучей среде или применяемому процессу. С такой точки зрения среди основных типов газожидкостных контакторов, например, есть (1) распылительная колонна или форсуночный скруббер, где жидкость подается в колонну в жидком капельном состоянии путем использования нагнетательного насоса и подобного, и жидкие капли диспергируются в газовой фазе, барботажная колонна, в которой пузырьки диспергируются в колонне, заполненной жидкой фазой, (2) насадочная колонна, в которой жидкость заставляют течь в состоянии жидкой пленки на поверхности насадочного объекта, расположенного в колонне, чтобы сделать поверхность контакта газ - жидкость больше, (3) тарельчатая колонна, в которой тарелки, заставляющие жидкость, временно пребывающую на них, течь вниз в колонне, располагаются с заданным интервалом, и пузырьки диспергируются в жидкой фазе, пребывающей на тарелке, посредством колпачка или отверстия, обеспеченного в каждой тарелке, и так далее.
Среди этих газожидкостных контакторов такие типы, как распылительная колонна и барботажная колонна, в которых жидкие капли или пузырьки диспергируются в газовой фазе или жидкой фазе соответственно, имеют преимущество в том, что дисперсионное состояние газа и жидкости является хорошим по сравнению с аналогичным состоянием насадочной колонны и подобного, но период времени контакта газ - жидкость является относительно коротким, и число теоретических тарелок во всей колонне эквивалентно только одной или двум. Следовательно, чтобы получить высокую эффективность поглощения или эффективность отгонки в, например, поглотительной колонне или отгоночной колонне, используют специальное строение оборудования, например, делая оборудование многостадийным путем соединения множества контакторов последовательно, и это является проблемой с точки зрения сложности оборудования и увеличения стоимости.
Напротив, в насадочной колонне или тарельчатой колонне число теоретических тарелок контактора может проектироваться сравнительно свободно путем увеличения/уменьшения упакованной высоты насадки или действительного числа тарелок. Однако рассматривая механизм газожидкостного контакта, контакт газа и жидкости происходит главным образом на поверхности жидкой пленки или на поверхности пузырьков в жидкой фазе, и нельзя сказать, что жидкость находится в хорошо диспергированном состоянии, так что дополнительное улучшение изучается. Кроме того, в тарельчатой колонне, так как применяется механизм контакта, при котором пузырьки диспергируются в жидкой фазе, существует проблема пенообразования, то есть вспенивание жидкой фазы снижает производительность или эффективность обработки, сужает рабочий диапазон (величину подачи газ/жидкость или подаваемую пропорцию, типы обрабатываемых текучих сред) контактора.
В патентном документе 1 описана технология, в которой, как показано на фиг.26А, в газожидкостном контакторе 100 тарельчатого типа газожидкостный контакт осуществляется, когда нисходящая жидкость и восходящий газ в колонне принуждаются течь параллельно по поверхности тарелки 101 без отверстия. Однако целью настоящей технологии является разработать компактный контактор, который может быть расположен в помещении, например, а не дополнительно усилить дисперсионное состояние газа и жидкости.
В патентном документе 2 описана технология, в которой в газожидкостной каталитической реакционной колонне 110 насадочного типа, как показано на фиг.26В, путем разделения внутренней части жидкостной каталитической реакционной колонны 110 на множество ячеек 111, в которых упакован гидрофобный катализатор, предотвращается смещение течения жидкости благодаря использованию гидрофобного катализатора. Кроме того, описывается технология, в которой, как показано на фиг.26С, путем преобразования поверхности стенки каждой ячейки 111 в волновую форму в направлении (горизонтальное направление), поперечном направлению (вертикальное направление) течения жидкости и течения газа, чтобы сформировать течение жидкости, зависящее от формы волны, площадь контакта потока жидкости и потока газа увеличивается. Настоящая технология имеет строение, подобное строению одного варианта осуществления настоящего изобретения, описанного позднее, в том отношении, что внутренняя область колонны разделена на множество ячеек, но по механизму газожидкостного контакта газ и жидкость принуждаются контактировать друг с другом на поверхности жидкости, текущей вниз по поверхности стенки ячейки 111, и ничего не говорится о технологии диспергирования жидкости в газовой фазе.
3
1
2
Кроме того, в качестве примера контакта жидкость - жидкость настоящий изобретатель разработал жидкостно-жидкостный контактор 120, в котором, как показано на фиг.27, множество тарелок 121 обеспечивается в жидкостно-жидкостном контакторе 120, чтобы заставить тяжелую жидкость (Н), которая течет вниз, и легкую жидкость (L), которая течет вверх, контактировать друг с другом, причем часть тарелки 121 отрезана, чтобы образовать путь течения 123 для тяжелой жидкости и легкой жидкости, и обеспечивается пластина перемычки 122, проходящая вертикально вниз от конечной части стороны пути течения 123 каждой тарелки 121 (патентный документ 3). Эта пластина перемычки 122 обеспечивается с отверстием 124, и легкая жидкость (L), блокированная пластиной перемычки 122 и временно пребывающая под тарелкой 121, вытекает в состоянии струи в горизонтальном направлении (L) через отверстие 124 и диспергируется в тяжелой жидкости (Н) путем образования жидких капель (L) с помощью сдвигового напряжения от тяжелой жидкости (Н), текущей вниз, посредством чего обе жидкости могут эффективно вступать в контакт друг с другом. Для такой технологии настоящий изобретатель выступает с развитием технологии, дополнительно улучшающей дисперсионное состояние тяжелой и легкой жидкостей в жидкостно-жидкостном контакторе.
[Патентный документ 1]
Выложенная японская патентная заявка № 2002-336657: пункт формулы изобретения 1, параграф 0010, фиг.1
[Патентный документ 2]
Выложенная японская патентная заявка № 2000-254402: параграфы от 0015 до 0020, фиг.1, фиг.4
[Патентный документ 3]
Выложенная японская патентная заявка № Hei 7-80283: параграфы от 0017 до 0019, параграф 0032, фиг.5
Описание изобретения
Настоящее изобретение сделано при таких обстоятельствах и его задачей является обеспечить контактор, способный заставлять текучие среды двух фаз контактировать друг с другом в хорошо диспергированном состоянии, и который может быть легко сделан многоступенчатым.
Согласно настоящему изобретению контактор, в котором восходящая текучая среда, представляющая собой газ, подается от нижней части в колонне, а нисходящая текучая среда, представляющая собой жидкость, подается от верхней части колонны, и данные газ и жидкость подвергаются противоточному контакту, включает в себя:
обеспечение множества ярусов ячеек таким образом, что ячейка верхнего бокового яруса и ячейка нижнего бокового яруса, соседствующие друг с другом вдоль путей течения восходящей текучей среды и нисходящей текучей среды, находятся на разных ярусах, причем ячейка образует область противоточного контакта восходящей текучей среды и нисходящей текучей среды;
разделение ячейки верхнего бокового яруса и ячейки нижнего бокового яруса с помощью перегородки; и
обеспечение в перегородке соответствующих ярусов отверстия ввода нисходящей текучей среды в нижней части ячейки верхнего бокового яруса, так что нисходящая текучая среда, блокированная перегородкой и прибывающая, вводится в ячейку нижнего бокового яруса, и обеспечение приточного порта восходящей текучей среды в более высокой стороне, чем область, в которой пребывает нисходящая текучая среда, причем через приточный порт восходящей текучей среды восходящая текучая среда из ячейки нижнего бокового яруса течет в ячейку верхнего бокового яруса.
Согласно другому изобретению контактор, в котором восходящая текучая среда, представляющая собой жидкость, подается от нижней части в колонне, а нисходящая текучая среда, представляющая собой жидкость, подается от верхней части колонны, и данные жидкости подвергаются противоточному контакту, включает в себя:
обеспечение множества ярусов ячеек таким образом, что ячейка верхнего бокового яруса и ячейка нижнего бокового яруса, соседствующие друг с другом вдоль путей течения восходящей текучей среды и нисходящей текучей среды, находятся на разных ярусах, причем ячейка образует область противоточного контакта восходящей текучей среды и нисходящей текучей среды;
разделение ячейки верхнего бокового яруса и ячейки нижнего бокового яруса с помощью перегородки; и
обеспечение в перегородке соответствующих ярусов отверстия ввода нисходящей текучей среды в нижней части ячейки верхнего бокового яруса, так что нисходящая текучая среда, пребывающая в ячейке верхнего бокового яруса, вводится с помощью ее потенциальной энергии в ячейку нижнего бокового яруса, и обеспечение приточного порта восходящей текучей среды в более высокой стороне, чем отверстие ввода нисходящей текучей среды, причем через приточный порт восходящей текучей среды восходящая текучая среда из ячейки нижнего бокового яруса течет посредством ее плавучести в ячейку верхнего бокового яруса.
Согласно еще одному изобретению контактор, в котором восходящая текучая среда, представляющая собой жидкость, подается от нижней части в колонне, а нисходящая текучая среда, представляющая собой жидкость, подается от верхней части колонны, и данные жидкости подвергаются противоточному контакту, включает в себя:
обеспечение множества ярусов ячеек таким образом, что ячейка верхнего бокового яруса и ячейка нижнего бокового яруса, соседствующие друг с другом вдоль путей течения восходящей текучей среды и нисходящей текучей среды, находятся на разных ярусах, причем ячейка образует область противоточного контакта восходящей текучей среды и нисходящей текучей среды;
разделение ячейки верхнего бокового яруса и ячейки нижнего бокового яруса с помощью перегородки; и
обеспечение в перегородке соответствующих ярусов отверстия ввода восходящей текучей среды в верхней части ячейки нижнего бокового яруса, так что восходящая текучая среда, пребывающая в ячейке нижнего бокового яруса, вводится с помощью ее плавучести в ячейку верхнего бокового яруса, и обеспечение в более нижней стороне, чем отверстие ввода восходящей текучей среды, приточного порта нисходящей текучей среды, через который нисходящая текучая среда из ячейки верхнего бокового яруса течет посредством ее потенциальной энергии в ячейку нижнего бокового яруса.
Каждый контактор, описанный выше, имеющий отверстие ввода нисходящей текучей среды, может быть построен так, что ячейка верхнего бокового яруса и ячейка нижнего бокового яруса находятся во взаимном расположении, в котором их части уложены выше и ниже друг друга, и отверстие ввода нисходящей текучей среды обеспечено в нижней боковой поверхности и/или нижней поверхности ячейки верхнего бокового яруса, тогда как в контакторе, имеющем отверстие ввода восходящей текучей среды, ячейка верхнего бокового яруса и ячейка нижнего бокового яруса могут быть во взаимном расположении, в котором их части уложены выше и ниже друг друга, и отверстие ввода восходящей текучей среды может быть обеспечено в верхней боковой поверхности и/или потолочной поверхности ячейки нижнего бокового яруса. Предпочтительно, когда отверстие ввода нисходящей текучей среды, отверстие ввода восходящей текучей среды, приточный порт восходящей текучей среды или приточный порт нисходящей текучей среды представляют собой прорезь, проходящую в поперечном направлении или продольном направлении, или секцию многочисленных отверстий, расположенных в поперечном направлении или продольном направлении.
Кроме того, в контакторе, в котором газ представляет собой восходящую текучую среду и жидкость представляет собой нисходящую текучую среду, можно обеспечить отверстие ввода нисходящей текучей среды с первой заслонкой, открывающейся и закрывающейся соответственно количеству нисходящей текучей среды, блокированной перегородкой, чтобы предотвратить восходящую текучую среду, текущую в ячейке нижнего бокового яруса, от протекания в ячейку верхнего бокового яруса через отверстие ввода нисходящей текучей среды. В этом случае первая заслонка может быть обеспечена на стороне вытекания отверстия ввода нисходящей текучей среды таким образом, чтобы закрываться путем отклонения с помощью первого отклоняющего средства, и может быть построена так, чтобы открываться против отклонения первым отклоняющим средством посредством давления, то есть гидравлического давления нисходящей текучей среды, пребывающей в ячейке верхнего бокового яруса.
Дополнительно, в контакторе, в котором газ представляет собой восходящую текучую среду и жидкость представляет собой нисходящую текучую среду, в этом случае можно обеспечить отверстие ввода нисходящей текучей среды на боковой поверхности ячейки, первая заслонка выполнена с возможностью перемещения вверх и вниз между нижним положением, в котором закрыто отверстие ввода нисходящей текучей среды, и верхним положением, в котором оно открыто и может подниматься за счет плавучести нисходящей текучей среды, пребывающей в ячейке верхнего бокового яруса. Дополнительно, в случае если отверстие ввода нисходящей текучей среды выполнено на нижней поверхности ячейки, первая заслонка выполнена с возможностью закрытия указанного отверстия нижней поверхности в нижнем положении. Дополнительно, первая заслонка, перемещаемая вверх и вниз за счет плавучести нисходящей текучей среды, может иметь компенсатор плавучести, выступающий в боковом направлении в направлении верхнего яруса боковой ячейки.
Дополнительно, в контакторе, в котором газ представляет собой восходящую текучую среду и жидкость представляет собой нисходящую текучую среду, возможно когда приточный порт восходящей текучей среды обеспечивается второй заслонкой, открывающей и закрывающей часть приточного порта восходящей текучей среды соответственно давлению восходящей текучей среды, текущей из ячейки нижнего бокового яруса в ячейку верхнего бокового яруса. В этом случае можно рассмотреть конструкцию, в которой вторая заслонка обеспечивается на стороне вытекания приточного порта восходящей текучей среды таким образом, чтобы закрываться путем отклонения с помощью второго отклоняющего средства и открываться против отклонения вторым отклоняющим средством посредством давления восходящей текучей среды и так далее.
Нижняя поверхность ячейки может быть наклонена, чтобы снижаться к отверстию ввода, обеспеченному в данной ячейке, и это применимо для случая, когда нисходящая текучая среда представляет собой суспензию и подобное, содержащую измельченный материал.
Кроме того, возможно, что располагается множество линий ячеек, в которых многочисленные ячейки расположены в одну продольную линию, причем ячейки, принадлежащие каждой линии ячеек, и ячейки соседней линии ячеек располагаются на разных ярусах, причем соответствующие линии ячеек размещаются поперечно вдоль одного направления, и соответствующие ячейки размещаются концентрически поперечно в контакторе, имеющем цилиндрическую форму.
Контактор согласно настоящему изобретению имеет многочисленные ярусы ячеек, образующих пространства противоточного контакта восходящей текучей среды (газа или жидкости) и нисходящей текучей среды (жидкости) в каждой из этих ячеек, и нисходящая текучая среда, вводимая из ячейки верхнего бокового яруса через отверстие ввода, и восходящая текучая среда, текущая из ячейки нижнего бокового яруса через приточный порт, подвергаются противоточному контакту, так что хорошее дисперсионное состояние может быть получено в каждой ячейке. В результате в случае газожидкостного контактора, например, можно увеличить эффективность поглощения операции поглощения или эффективность отгонки операции отгонки.
Кроме того, так как эти пространства контакта могут быть легко сформированы путем только разделения внутренней части колонны перегородками, можно легко создать многоярусную колонну, так что становится возможно построить сложный контактор при низкой стоимости.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий структуру всего газожидкостного контактора согласно одному варианту осуществления данного изобретения;
фиг.2 представляет собой поясняющий вид, показывающий направления, в которых газ и жидкость текут в газожидкостном контакторе;
фиг.3А и фиг.3В представляют собой поясняющие виды, показывающие структуру области контакта в газожидкостном контакторе;
фиг.4 представляет собой вид в перспективе, показывающий структуру области контакта;
фиг.5 представляет собой вид в перспективе для объяснения действия области контакта;
фиг.6 представляет собой продольный вид в разрезе для объяснения действия области контакта;
фиг.7А-7С представляют собой виды поверхности сбоку, показывающие примеры модификации входа/выхода газа или жидкости, подаваемых в область контакта;
фиг.8А и фиг.8В представляют собой поясняющие виды, показывающие пример модификации области контакта;
фиг.9А-9С представляют собой поясняющие виды, показывающие второй пример модификации области контакта;
фиг.10А-10С представляют собой поясняющие виды, показывающие третий пример модификации области контакта;
фиг.11А и фиг.11В представляют собой поясняющие виды, показывающие четвертый пример модификации области контакта;
фиг.12А и фиг.12В представляют собой вид спереди и продольный вид в разрезе ячейки, имеющей первую и вторую заслонки;
фиг.13А и фиг.13В представляют собой поясняющие виды, показывающие действие ячейки, имеющей первую и вторую заслонки;
фиг.14 представляет собой вид спереди ячейки согласно первому примеру модификации первой заслонки;
фиг.15 представляет собой продольный вид в разрезе ячейки согласно первому примеру модификации;
фиг.16А и 16В представляют собой поясняющие виды, показывающие действие ячейки согласно первому примеру модификации;
фиг.17А и 17В представляют собой продольные виды в разрезе ячеек согласно второму и третьему примерам модификации первой заслонки;
фиг.18А и 18В представляют собой поясняющие виды, показывающие действия ячеек согласно второму и третьему примерам модификации;
фиг.19 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий пример применения внутренней области газожидкостного контактора для дистилляционной колонны;
фиг.20 представляет собой продольный вид в разрезе, объясняющий действие жидкостно-жидкостного контактора согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.21 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий соответствующий пример экстракционной колонны, в которой применяется жидкостно-жидкостный контактор согласно второму варианту осуществления, описанному выше;
фиг.22 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий пример модификации второго варианта осуществления, описанного выше;
фиг.23 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий строение дистилляционной колонны, используемой в эксперименте в рабочем примере;
фиг.24 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий строение жидкостно-жидкостной экстракционной колонны, используемой в эксперименте сравнительного примера в другом рабочем примере;
фиг.25 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий строение жидкостно-жидкостной экстракционной колонны, используемой в эксперименте в другом рабочем примере, описанном выше;
фиг.26А-26С представляют собой поясняющие виды, относящиеся к обычной технологии газожидкостного контактора; и
фиг.27 представляет собой поясняющий вид, относящийся к обычной технологии жидкостно-жидкостного контактора.
Лучший вариант осуществления изобретения
В качестве одного варианта осуществления согласно настоящему изобретению газожидкостный контактор 1, осуществляющий газожидкостный контакт, такой как поглощение или отгонка, берется в качестве примера, и его структура описывается с использованием фиг.1-4. Фиг.1 и фиг.2 представляют собой продольные виды в разрезе, схематично показывающие полную структуру газожидкостного контактора 1 согласно настоящему изобретению, тогда как фиг.3А, фиг.3В и фиг.4 представляют собой поясняющие виды его внутренней структуры.
Газожидкостный контактор 1, образованный из цилиндрического контейнера, сделанного, например, из нержавеющей стали, заставляет газ (восходящая текучая среда), восходящий в этом газожидкостном контакторе, и жидкость (нисходящая текучая среда), нисходящую в газожидкостном контакторе, контактировать в противотоке друг с другом. Как показано на фиг.1, верхняя часть колонны газожидкостного контактора обеспечена секцией 11 подачи жидкости, чтобы подавать жидкость во внутреннее пространство газожидкостного контактора 1, и секцией 14 выпуска газа, чтобы выпускать газ, тогда как нижняя часть колонны обеспечена секцией 12 выпуска жидкости, чтобы выпускать жидкость, и секцией 13 подачи газа, чтобы подавать газ.
Как показано на фиг.1, в области газожидкостного контакта между секцией 11 подачи жидкости и секцией 13 подачи газа в газожидкостном контакторе 1 обеспечена вертикальная стенка 10, проходящая вертикально в диаметральном положении круга, образованного внутренней периферийной поверхностью газожидкостного контактора 1 таким образом, чтобы разделять основной корпус газожидкостного контактора 1 на две части - правую и левую на фиг.1.
В левой боковой области 20 газожидкостного контактора 1, отделенной вертикальной стенкой 10, обеспечено множество горизонтальных стенок 21 с равными интервалами, посредством чего пространство левой боковой области 20 разделено на множество областей в продольном направлении. С другой стороны, в правой боковой области 30, отделенной вертикальной стенкой 10, обеспечено множество горизонтальных стенок 31 с равными интервалами на других ярусах относительно горизонтальных стенок 21, посредством чего пространство правой боковой области 30 разделено на множество областей в продольном направлении. Следует заметить, что горизонтальная стенка 31 правой боковой области 30 располагается на уровне высоты середины горизонтальных стенок 21, продольно соседствующих в левой боковой области 20.
Следовательно, когда пространство, ограниченное двумя горизонтальными стенками 21, 21 (31, 31), продольно соседствующими друг с другом, стенкой 15 колонны газожидкостного контактора 1 и вертикальной стенкой 10, называется ячейкой, в газожидкостном контакторе 1 образовано две линии ячеек, в каждой из которых эти ячейки продольно располагаются на множестве ярусов, и ячейки, принадлежащие одной из линии ячеек, расположены на других ярусах относительно ячеек, принадлежащих другим линиям ячеек. Следует отметить, что в последующем описании ссылочные позиции 22, 32 соответственно относятся к ячейке левой боковой области 20 и ячейке правой боковой области 30.
Эти ячейки 22, 32 составляют противоточно контактирующие пространства газа и жидкости, текущих в газожидкостном контакторе 1. Соответствующие ячейки 22, 32 в газожидкостном контакторе имеют строение, аналогичное друг другу, и далее ячейка 32, показанная пунктирной линией на фиг.1, например, берется в качестве примера для объяснения. Фиг.3А представляет собой вид сверху (видимый от поверхности А-А на фиг.1) горизонтальной стенки 31 нижней стороны поверхности ячейки 32, тогда как фиг.3В представляет собой вид поверхности сбоку (видимый от поверхности В-В на фиг.3А) вертикальной стенки 10 ячейки 32. Фиг.4 представляет собой вид в перспективе, показывающий внутреннюю структуру ячейки 32 газожидкостного контактора 1.
Как показано на фиг.3В, в вертикальной стенке 10 в положениях сразу под соответствующими горизонтальными стенками 21, 31 образованы отверстия 51 для протока газа, сделанные в виде прорезей, проходящих в горизонтальном направлении, тогда как в положениях непосредственно над соответствующими горизонтальными стенками 21, 31 в вертикальной стенке 10 образованы отверстия 52 для протока жидкости, проходящие в горизонтальном направлении и сделанные, например, в виде трех прорезей. Нижние поверхности соответствующих горизонтальных стенок 21, 31 и верхние периферийные края прорезей отверстий 51 для протока газа являются общими, тогда как положение высоты самой нижней прорези из данных трех прорезей, составляющих отверстие 52 для протока жидкости, подобрано так, чтобы быть ниже, чем поверхность жидкости объема жидкости в то время как работа газожидкостного контактора 1 становится стационарной, как будет показано ниже.
С помощью вышеописанного строения, как показано на виде в перспективе на фиг.4, например, когда вертикальная стенка 10 видна от определенной ячейки 32, отверстие 51 для потока газа и отверстие 52 для потока жидкости в верхней половине стороны соответственно равнозначны (равны) порту вытекания газа, из которого газ, являющийся восходящей текучей средой, вытекает в ячейку 22 в диагонально верхнем боковом ярусе (предыдущего яруса), и равнозначны порту втекания жидкости, в который жидкость, являющаяся нисходящей текучей средой, втекает из ячейки 22 в диагонально верхнем боковом ярусе. Аналогично, отверстие 51 для протока газа и отверстие 52 для протока жидкости в нижней половине стороны соответственно равнозначны порту втекания газа, из которого газ втекает из ячейки 22 в диагонально нижнем боковом ярусе (следующий ярус), и порту вытекания жидкости, из которого жидкость вытекает в ячейку 22 в диагонально нижнем боковом ярусе.
Другими словами, порт вытекания жидкости, обеспеченный в ячейке 22 в диагонально верхнем боковом ярусе от ячейки 32, показанной на фиг.4, равнозначен порту втекания жидкости ячейки 32, тогда как порт вытекания газа, обеспеченный в ячейке 22 в диагонально нижнем боковом ярусе, равнозначен порту втекания газа ячейки 32. Как установлено выше, с помощью отверстий 51 для протока газа и отверстий 52 для протока жидкости, обеспеченных в соответствующих ячейках 22, 32, путь течения, в котором газ течет вверх, и путь течения, в котором жидкость течет вниз, образованы в газожидкостном контакторе 1, как показано на фиг.2. Следует заметить, что стрелка, показанная пунктирной линией на фиг.2, указывает течение 17 газа, тогда как стрелка, показанная сплошной линией, указывает течение 16 жидкости.
Здесь отверстие 52 для протока жидкости образовано в виде узкого пути течения щелевидной формы, как описано выше, вследствие чего это отверстие 52 для протока жидкости функционирует в качестве сопротивления, когда жидкость, втекающая в ячейку 32, вытекает в ячейку 22 в диагонально нижнем боковом ярусе, как показано на фиг.4. В результате пространства нижних сторон в соответствующих ячейках 22, 32 становятся секциями 53 пребывания, блокирующими и удерживающими жидкость, текущую в ячейках 22, 32, с помощью вертикальной стенки 10, и жидкость, текущая в ячейках 22, 32, направляется в ячейки 32, 22 нижнего бокового яруса через отверстие 52 для протока жидкости после формирования некоторого объема жидкости в секции 53 пребывания. Глубина (глубина жидкости) объема жидкости, пребывающего в секции 53 пребывания, определяется величиной потока жидкости, подаваемой секцией 11 подачи жидкости, и чем больше величина потока, тем больше глубина жидкости, тогда как чем меньше величина потока, тем меньше глубина жидкости.
На основании описанной выше конструкции действие газожидкостного контактора 1 согласно настоящему варианту осуществления будет описано со ссылкой на фиг.5 и фиг.6. Фиг.5 представляет собой вид в перспективе, объясняющий механизм газожидкостного контакта потока 17 газа и потока 16 жидкости в ячейке 32, показанной на фиг.4, тогда как фиг.6 представляет собой продольный вид в разрезе, схематично показывающий состояние газожидкостного контакта в газожидкостном контакторе 1.
Жидкость, подаваемая в газожидкостный контактор 1 с помощью секции 11 подачи жидкости, показанной на фиг.1, течет вниз в колонне с помощью гравитации, проходя через соответствующие ячейки 22, 32, и достигает ячейки 22 в диагонально верхнем боковом ярусе от ячейки 32, показанной на фиг.5. Здесь, как уже описано, жидкость, подаваемая в ячейку 22 верхнего бокового яруса, находится в секции 53 пребывания, блокированная вертикальной стенкой 10, и образует объем жидкости. Когда данный объем жидкости образуется в секции 53 пребывания, потенциальная энергия жидкости в этом объеме жидкости превращается в кинетическую энергию у отверстия 52 для протока жидкости и становится силой, выталкивающей жидкость в ячейку 32 нижнего бокового яруса. В результате если смотреть от ячейки 32 нижнего бокового яруса, жидкость, пребывающая в секции 53 пребывания или ячейке 22 верхнего бокового яруса, вводится в виде листоподобного жидкого потока 16 через щелеподобное отверстие 52 для протока жидкости, как показано на фиг.5. Как можно узнать из таких действий, щелеподобное отверстие 52 для протока жидкости играет роль отверстия ввода, вводящего жидкость, блокированную вертикальной стенкой 10 и пребывающую в секции 53 пребывания, в ячейку 32 нижнего бокового яруса.
С другой стороны, газ, подаваемый в газожидкостный контактор 1 из секции 13 подачи газа, течет вверх в газожидкостном контакторе 1 под действием давления, сжимающего газ, или силы всплытия, действующей на газ, проходя через соответствующие ячейки 22, 32, достигает ячейки 22 в диагонально нижнем боковом ярусе от ячейки 32, показанной на фиг.5, и направляется в ячейку 32 через отверстие 51 для протока газа. Как уже описано, так как отверстие 51 для протока газа образовано в форме прорези, газ становится листообразным быстрым газовым потоком 17 и вводится из отверстия 51 для протока газа, если смотреть со стороны ячейки 32, как показано на фиг.5.
Здесь, как уже описано, так как отверстие 51 для протока газа ячейки 32 обеспечено в положении непосредственно под отверстием 52 для протока жидкости, газовый поток 17 пересекается с потоком 16 жидкости до расширения в пространстве ячейки 32 и снижения его скорости и течет таким образом, что раздувает поток 16 жидкости снизу. В результате поперечная сила путем пересечения с воздушным потоком 17 действует на поток 16 жидкости, и поток 16 жидкости превращается в капли жидкости и диспергируется в пространстве ячейки 32, как показано на фиг.6. Таким образом, посредством того, что отверстие 52 для протока жидкости и отверстие 51 для протока газа расположены выше и ниже друг друга, ячейка 32 функционирует в качестве пространства, в котором поток 16 жидкости и поток 17 газа подвергаются противоточному контакту.
Далее, так как быстрый газовый поток 17 сразу после вытекания из отверстия 51 для протока газа вызывает снижение давления вокруг газового потока 17, можно также вызывать действие ускоренного ввода потока 16 жидкости путем затягивания в жидкости, проходящей вблизи отверстия 52 для протока жидкости.
Массоперенос выполняется между поверхностями капель жидкости, диспергированных в ячейке 32, и окружающим газом, и массоперенос происходит из газа в жидкость в случае поглощающей колонны или из жидкости в газ в случае отгоночной колонны. С другой стороны, так как площадь горизонтального сечения пространства внутри ячейки 32 больше, чем площадь отверстия 51 для протока газа, газовый поток 17 течет вверх в ячейке 32 со скоростью, постепенно уменьшающейся после пересечения с потоком 16 жидкости. Когда течение газового потока 17 замедляется, сила газового потока 17, раздувающая капли жидкости, ослабевает, так что капли жидкости начинают оседать вниз в секцию 53 пребывания, и газ и жидкость разделяются. С другой стороны, даже в случае, когда течение газового потока 17 снижает его скорость, можно достаточно отделять капли жидкости в противоточном контакте, в котором мелкие капли жидкости сопровождаются газовым потоком, путем установления туманоуловителя в отверстие 51 для протока газа.
При достижении горизонтальной стенки 31 в верхней стороне поверхности газ, восходящий в ячейке 32, направляется в ячейку 22 в диагонально верхнем боковом ярусе через отверстие 51 для протока газа, обеспеченное в вертикальной стенке 10. С другой стороны, капли жидкости, осевшие в секцию 53 пребывания, сливаются с объемом, образованным в секции 53 пребывания, концентрация там делается однородной, и затем капли жидкости направляются в ячейку 22 в диагонально нижнем боковом ярусе через отверстие 52 для протока жидкости.
Таким образом, в соответствующих ячейках 22, 32 газожидкостного контактора 1 повторяющимся образом выполняется операция осуществления газожидкостного контакта путем превращения жидкости в капли жидкости и диспергирования их в газе и операция разделения газа и жидкости после газожидкостного контакта и направления их в ячейки 22, 32 стороны ниже по ходу вдоль соответствующих путей течения, посредством чего протекает поглощение или отгонка между газом и жидкостью. Когда жидкость достигает дна колонны, жидкость прекращает контактировать с газом и выпускается в секцию 12 выпуска жидкости. Аналогично для газа после того как газ достигает вершины колонны, газ прекращает контактировать с жидкостью и выпускается в секцию 14 выпуска газа.
В газожидкостном контакторе 1 согласно настоящему варианту осуществления, описанному выше, может быть получен следующий эффект. Внутренняя область газожидкостного контактора 1, осуществляющего газожидкостный контакт, разделена на множество ячеек 22, 32, образующих пространства противоточного контакта газа и жидкости, и жидкость, пребывающая в секции 53 пребывания соответствующих ячеек 22, 32, вводится в ячейки 22, 32 нижнего бокового яруса через отверстие 52 для протока жидкости, играющее роль отверстия ввода, или направляется в ячейки 22, 32 верхнего бокового яруса под действием силы, с которой газ течет вверх в ячейках 22, 32. Следовательно, соответствующие текучие среды могут забрасываться в соседние ячейки 22, 32 без использования специального средства приложения давления. В соответствующих ячейках 22, 32 поток 16 жидкости и поток 17 газа, которые вводятся в форме листов, например, подвергаются противоточному контакту, и капли жидкости диспергируются в газовой фазе, так что может быть получено хорошее дисперсионное состояние. В результате ВЭТТ (высота, эквивалентная теоретической тарелке) становится низкой, приводя к улучшению эффективности поглощения, эффективности отгонки или подобного.
Кроме того, в добавление к тому факту, что ВЭТТ является низкой, как уже описано, так как газ и жидкость текут вверх/вниз с изгибом их путей в колонне при прохождении через множество ячеек 22, 32 в газожидкостном контакторе 1 согласно настоящему варианту осуществления, высота газожидкостного контактора 1 может быть дополнительно сделана компактной по сравнению с обыкновенной тарельчатой колонной и подобной, в которой газ и жидкость линейно текут вверх/вниз, причем времена пребывания газа и жидкости в колоннах являются одинаковыми.
Далее, так как капли жидкости, образовавшиеся в соответствующих ячейках 22, 32, являются большими по сравнению с каплями в распылительной колонне и подобной, разделение газа и жидкости является легким, даже когда поток жидкости быстрый, и можно делать пропускную способность на единицу площади сечения больше или делать диаметр колонны меньше с такой же пропускной способностью.
В отличие от тарельчатой колонны, в которой газ диспергируется в жидкой фазе, пребывающей на тарелке, для выполнения газожидкостного контакта, так как ячейки 22, 32 согласно настоящему варианту осуществления не приспособлены заставлять газовый поток проходить через жидкую фазу, возникновения пенообразования (вспенивание жидкой фазы) можно избежать или ограничить его. Вследствие такого отличия механизма контакта от механизма контакта тарельчатой колонны потеря давления газового потока становится меньше, так что движущая сила, необходимая чтобы направлять газ в газожидкостный контактор 1, становится меньше, также вызывая экономию энергии.
Так как эти ячейки 22, 32 могут быть легко образованы путем разделения внутренней области газожидкостного контактора 1 вертикальной стенкой 10 и горизонтальными стенками 21, 31, можно легко увеличить число тарелок, так что возможно построит сложный газожидкостный контактор 1 с меньшей стоимостью.
Путем обеспечения отверстия 52 для протока жидкости и отверстия 51 для протока газа в форме прорезей поток 16 жидкости и поток 17 газа могут быть получены в листоподобной форме, пересекаясь друг с другом в ячейках 22, 32, так что большая поперечная сила прикладывается к жидкости газовым потоком 17, и поток 16 жидкости легко диспергируется с меньшими каплями жидкости, обеспечивая хорошее дисперсионное состояние. Следует отметить, что формы отверстия 52 для протока жидкости, отверстия 51 для протока газа и подобного не ограничиваются формами, показанными на фиг.3В, и возможно, что, например, отверстие 52 для протока жидкости делается путем расположения многочисленных, более коротких прорезей, как показано на фиг.7А, или что многочисленные отверстия 52 для протока жидкости из секций круглых отверстий расположены, как показано на фиг.7В. Также возможно, что отверстие 52 для протока жидкости обеспечивается в виде множества длинных прорезей, расположенных в вертикальном направлении, как показано на фиг.7С, и, дополнительно, что прорезь отверстия 51 для протока газа разделяется, и многочисленные прорези располагаются в поперечном направлении, например. Кроме того, возможно, что многочисленные отверстия 51 для протока газа из секций отверстий расположены в поперечном направлении подобно отверстию 52 для протока жидкости, показанному на фиг.7В, соответствующий рисунок опущен.
Вариант осуществления, объясняемый с использованием фиг.1-6, сконструирован так, что внутренняя область газожидкостного контактора 1 вертикально разделена на две линии, и соседние ячейки располагаются на разных ярусах, но число линий ячеек или формы соответствующих ячеек 22, 32 в газожидкостном контакторе 1 не ограничиваются настоящим вариантом осуществления. Возможно, как показано на фиг.8А и фиг.8В, например, что круг, нарисованный круговой поверхностью газожидкостного контактора 1, вертикально разделяется на три части, то есть три линии ячеек располагаются поперечно вдоль одного направления, и ячейки 22, 32, 42 соответствующих линий ячеек располагаются на других ярусах от ярусов соседних ячеек 22, 32, 42.
Кроме того, ячейки не ограничиваются ячейкой, сечение Х-Z которой является прямоугольным, как показано на фиг.1 или фиг.8А. Например, как показано на фиг.9А-9С, можно сконструировать так, что части ячеек 22, 32, 42 верхних боковых ярусов и ячеек 22, 32, 42 нижних боковых ярусов уложены выше и ниже друг друга, так что объем секции 53 пребывания становится больше. В противоположность вышесказанному можно сконструировать так, что соответствующие ячейки 22, 32, 42 на фиг.9А сделаны верхней стороной ниже, так что объем секции 53 пребывания становится меньше.
Когда конструируется так, что части ячеек 22, 32, 42 верхних боковых ярусов и нижних боковых ярусов уложены выше и ниже друг друга, расположение отверстий 52 для протока жидкости не ограничивается вертикальной стенкой 10, как приведено выше, но можно сконструировать так, что отверстия 52 для протока жидкости обеспечиваются в горизонтальных стенках 21, 31 нижних сторон поверхности ячеек 22, 32, как показано на фиг.9А-9С. Кроме того, на фиг.10А-10С показан пример газожидкостного контактора 1, имеющего такую структуру, что внутренняя область газожидкостного контактора 1 концентрически разделена в вертикальном направлении, и цилиндрические линии ячеек располагаются концентрически поперек, и такой тип газожидкостного контактора 1 также включен в настоящее изобретение. Следует отметить, что численное обозначение 18 на чертежах указывает балку для поддержания ячеек 22, 32 внутренней стороны.
Затем на фиг.11А и фиг.11В приведен пример газожидкостного контактора 1, используемого для поглотительной колонны или отгоночной колонны, в которой обрабатывается суспензия, содержащая измельченную твердую примесь в жидкости, и для каталитической реакционной колонны, в которой суспензия, содержащая катализатор, и газ вступают в контакт друг с другом, чтобы вызвать реакцию. Когда суспензия обрабатывается в газожидкостном контакторе 1, существует возможность того, что измельченный материал в суспензии оседает и накапливается на горизонтальных стенках 21, 31, нарушая течение суспензии, текущей вниз в колонне. Поэтому в газожидкостном контакторе 1, показанном на фиг.11А и фиг.11В, горизонтальные стенки 21, 31 являются наклонными, и наклон становится ниже в направлении отверстия 51 для протока газа, вследствие чего измельченный материал в суспензии может выпускаться в ячейки 22, 32 ниже по ходу без накопления на горизонтальных стенках 21, 31. Следует отметить, что обрабатываемые объекты, к которым может применяться такой газожидкостный контактор 1, не ограничиваются суспензией, содержащей измельченный материал, но газожидкостный контактор 1 может применяться для контакта газ - твердое тело измельченного материала (твердое тело), нисходящего в газожидкостном контакторе 1, и газа, а также для контакта жидкость - твердое тело измельченного материала (твердое тело), нисходящего в газожидкостном контакторе 1, и жидкости.
В газожидкостном контакторе 1 согласно настоящему варианту осуществления, объясняемому с использованием фиг.5 и фиг.6, например, поток 16 жидкости, вводимый из отверстия 52 для протока жидкости из объема жидкости, образованного в секции 53 пребывания, и газовый поток 17, текущий вверх через отверстие 51 для протока газа, пересекают друг друга, так что поток 16 жидкости раздувается и поперечная сила прикладывается к потоку 16 жидкости, диспергируя капли жидкости в соответствующих ячейках 22, 32, посредством чего создается хорошее состояние газожидкостной дисперсии. Здесь, когда газожидкостный контактор 1 функционирует с низкой пропускной способностью и т.д., например, может быть случай, когда скорость течения газового потока 17, вытекающего из отверстия 51 для протока газа, замедляется, ослабляя силу, раздувающую поток 16 жидкости, а также поперечную силу, приводя к ухудшению газожидкостного дисперсионного состояния.
На фиг.6 изображено состояние, когда жидкость вводится из всех прорезей, составляющих отверстие 52 для протока жидкости, но при работе с низкой пропускной способность или подобной глубина жидкости в объеме жидкости иногда может быть ниже, чем положение прорези, обеспеченной в верхнем боковом ярусе. В этом случае жидкость не вводится из прорези, обеспеченной в более высоком положении, чем объем жидкости, и ячейка 32 нижнего бокового яруса и ячейка 22 верхнего бокового яруса переходят в состояние сообщения через эту прорезь. В результате часть газа, восходящего в ячейке 22 нижнего бокового яруса, может течь в ячейку 22 верхнего бокового яруса через соединяющую прорезь, уменьшая скорость течения газового потока 17, проходящего через отверстие 51 для протока газа, и ухудшая газожидкостное дисперсионное состояние.
Ячейки 22, 32, показанные на фиг.12А и фиг.12В, имеют механизм, предотвращающий такое ухудшение газожидкостного дисперсионного состояния при работе с низкой пропускной способностью или подобном. Фиг.12А представляет собой вид спереди вертикальной стенки 10 ячейки 22, показанной на фиг.13А, например, где вертикальная стенка 10 видна из ячейки 32 стороны ниже по ходу, тогда как фиг.12В представляет собой продольный вид в разрезе ячейки 22, видимой от поверхности С1-С1', показанной на фиг.12А. В примерах, показанных на следующих фиг.12А-18В, описаны случаи, когда соответствующие ячейки 22, 32 имеют отверстие 52 для протока жидкости, образованное с тремя прорезями в целом, то есть две прорези обеспечены в вертикальной стенке 10 и одна прорезь обеспечена в горизонтальных стенках 21, 31.
В примере, показанном на фиг.12А и фиг.12В, ячейка 22 имеет первую заслонку, предотвращающую ячейку 22 от перехода в состояние сообщения с соседней ячейкой 32 в случае, когда глубина жидкости в объеме жидкости становится меньше, чем положение, где обеспечена прорезь отверстия 52 для протока жидкости. В настоящем примере первая заслонка обеспечивается в верхнем боковом ярусе отверстия 52 для протока жидкости (прорези), обеспеченного в виде двух ярусов из верхней и нижней прорезей в вертикальной стенке 10. Первая заслонка имеет пластину 71 заслонки прямоугольной формы, немного большую, чем прорезь, например, и поворотная ось 711, выступающая горизонтально вправо и влево, обеспечивается в верхней крайней части пластины 71 заслонки.
Пластина 71 заслонки располагается, как показано на фиг.12В, с выходной стороны отверстия 52 для протока жидкости (прорезь), если смотреть из ячейки 22, в которой образован объем жидкости, то есть на поверхности вертикальной стенки 10 в ячейке 32 стороны ниже по ходу, в которую вытекает поток 16 жидкости. На поверхности вертикальной стенки 10 прикреплена принимающая ось секция 712 кольцевой формы, например, и когда вышеописанная поворотная ось 711 проникает в принимающую ось секцию 712, пластина заслонки располагается в состоянии свисания от поворотной оси 711.
Как уже установлено, пластина 71 заслонки формируется так, чтобы иметь размер немного больше, чем прорезь, составляющая отверстие 52 для протока жидкости, и даже если сила прилагается в направлении от ячейки 32, показанной на фиг.12В, пластина 71 заслонки запирается с помощью вертикальной стенки 10 в состоянии покрытия прорези. С другой стороны, если сила прилагается в направлении от ячейки 22, показанной на фиг.12В, пластина 71 заслонки поворачивается к внутренней части ячейки 32 нижнего бокового яруса соответственно приложенной силе, так что закрытая заслонка может освобождаться. Здесь также можно обеспечить отклоняющее средство, винтовую пружину, например, отклоняющее в направлении закрывания пластины 71 заслонки, например, то есть в направлении прижимания пластины 71 заслонки к поверхности вертикальной стенки 10, в комбинации с поворотной осью 721, чтобы регулировать величину течения потока 16 жидкости в то время, когда пластина 71 заслонки начинает открываться.
Теперь будет описано строение второй заслонки, обеспечиваемой в отверстии 51 для протока газа. Вторая заслонка имеет подобно вышеуказанной первой заслонке пластину 72 заслонки вытянутой прямоугольной формы, поворотную ось 721, обеспеченную в верхней крайней части пластины 72 заслонки и выступающую горизонтально вправо и влево, и принимающую ось секцию 722, в которую проникает поворотная ось 721. Здесь, в настоящем примере, пластина 72 заслонки второй заслонки сформирована так, что имеет ширину немного больше, чем отверстие 51 для протока газа, сделанное в форме прорези, и высоту приблизительно в половину высоты отверстия 51 для протока газа. Принимающая ось секция 722 располагается на стороне ячейки 22, в которую вытекает газовый поток 17, таким образом, что, например, место, в котором растянута поворотная ось 721, представляет собой почти середину высоты отверстия 51 для протока газа, и поворотная ось 721 проникает в принимающую ось секцию 722, вследствие чего пластина 72 заслонки располагается в состоянии свисания с поворотной оси 721.
В результате пластина 72 заслонки устанавливается в состояние, когда пластина 72 заслонки закрывает часть отверстия 51 для протока газа, например нижнюю половину отверстия 51 для протока газа, и даже если малая сила, не достаточная для подъема пластины 72 заслонки, прикладывается в направлении от ячейки 32, показанной на фиг.12В, пластина 72 заслонки едва сдвигается от состояния закрывания части отверстия 51 для протока газа. Однако как только сила, прилагаемая в направлении от ячейки 32, становится больше, пластина 72 заслонки поворачивается к внутренней части ячейки 22 вокруг поворотной оси 721, так что закрытое отверстие 51 для протока газа постепенно освобождается. Здесь также можно обеспечить отклоняющее средство, винтовую пружину, например, отклоняющую в направлении закрывания пластины 72 заслонки, например, то есть в направлении прижимания пластины 72 заслонки к поверхности вертикальной стенки 10, в комбинации с поворотной осью 721, чтобы регулировать величину течения газового потока 17 в то время когда пластина 72 заслонки начинает открываться.
Действие первой заслонки из двух заслонок, описанных выше, будет объяснено. Как показано на фиг.13А, в случае когда пропускная способность газожидкостного контактора 1 является низкой и уровень жидкости (количества жидкости нисходящей текучей среды) объема жидкости, образованного в секции 53 пребывания соответствующих ячеек 22, 32, не достигает прорези верхнего бокового яруса, составляющей отверстие 52 для протока жидкости, сила, заставляющая пластину 71 заслонки первой заслонки поворачиваться, не действует. Таким образом, пластина 71 заслонки закрывает прорезь в состоянии свисания с поворотной оси 711 и в состоянии, когда пластина 71 заслонки прижата к поверхности вертикальной стенки 10 разницей давлений между, например, внутренней частью ячейки 32 нижнего бокового яруса и внутренней частью ячейки 22 верхнего бокового яруса, или между внутренней частью ячейки 22 нижнего бокового яруса и внутренней частью ячейки 32 верхнего бокового яруса.
В результате газ, восходящий в ячейках 32, 22 нижнего бокового яруса, может предохраняться от протекания в ячейки 22, 32 верхнего бокового яруса через прорезь, так что скорость течения газового потока 17, проходящего через отверстие 51 для протока газа, не замедляется. С другой стороны, когда пропускная способность газожидкостного контактора 1 увеличивается и уровень жидкости объема жидкости достигает прорези верхнего бокового яруса, прикладывается сила, заставляющая пластину 71 заслонки поворачиваться, и, как показано на фиг.13В, закрытая прорезь освобождается, так что поток 16 жидкости может вводиться соответственно уровню жидкости (количеству жидкости) объема жидкости.
Теперь будет описана работа второй заслонки. В состоянии низкой пропускной способности, показанном на фиг.13А, так как количество газа, восходящего в соответствующих ячейках 22, 32, невелико, сила, действующая на пластину 72 заслонки, мала, так что пластина 72 заслонки едва сдвигается и оставляет закрытой нижнюю половину отверстия 51 для протока газа. В результате площадь отверстия 51 для протока газа становится маленькой, и можно ограничить замедление скорости течения газового потока 17, проходящего через отверстие 51, даже в случае, когда количество газа, восходящего в соответствующих ячейках 22, 32, мало.
Как показано на фиг.13В, когда пропускная способность газожидкостного контактора 1 увеличивается, количество газа, восходящего в соответствующих ячейках 22, 32, также увеличивается, приводя к большему приложению давления газом, вследствие чего пластина 72 заслонки поворачивается, освобождая закрытое отверстие 51 для протока газа, так что площадь отверстия, через которое проходит газовый поток, становится больше. В результате можно сформировать газовый поток 17, поддерживающий необходимую скорость течения, без большого увеличения потери давления по сравнению с состоянием, в котором открытая площадь остается маленькой.
Путем обеспечения данных первой заслонки и второй заслонки, даже в случае когда пропускная способность газожидкостного контактора 1 является низкой, можно ограничить замедление скорости течения газового потока 17, проходящего через отверстие 51 для протока газа, и поддерживать силу, раздувающую поток 16 жидкости, вводимый из отверстия 52 для протока жидкости, и поперечную силу, действующую на поток 16 жидкости, так что может поддерживаться хорошее дисперсионное состояние газа и жидкости.
Здесь строение первой заслонки не ограничивается поворотным типом, показанным на фиг.12А и фиг.12В. Например, как показано на фиг.14-15, можно сконструировать пластину 73 заслонки с, например, полым элементом из нержавеющей стали и подобным, где пластина 73 заслонки движется вверх и вниз вдоль вертикальной стенки 10, получая плавучесть от объема жидкости, пребывающего в соответствующих ячейках 22, 32, вследствие чего отверстие 52 для протока жидкости (прорезь) открывается и закрывается. На чертеже ссылочная позиция 732 указывает направляющий элемент, задающий направление движения пластины 73 заслонки, тогда как ссылочная позиция 731 указывает ползун, расположенный между пластиной 73 заслонки и направляющим элементом 732 и бегущий в направляющем элементе 732.
В настоящем примере пластина 73 заслонки сконструирована способной открывать и закрывать две прорези (отверстие 52 для протока жидкости), обеспеченные в два яруса из верхней и нижней прорезей в вертикальной стенке 10. В случае когда низкая пропускная способность осуществляется в газожидкостном контакторе 1, как показано на фиг.16А, например, уровень жидкости объема жидкости является низким, пластина 73 заслонки едва сдвигается от нижнего положения, и прорези (отверстие 52 для протока жидкости) в вертикальной стенке 10 находятся в закрытом состоянии, поток 16 жидкости вводится только из прорези (отверстия 52 для протока жидкости), обеспеченной в горизонтальной стенке 21.
Когда пропускная способность газожидкостного контактора 1 увеличивается и уровень жидкости объема жидкости в секции 53 пребывания начинает расти, пластина 73 заслонки, получающая плавучесть от данного объема жидкости, движется вверх в верхнее положение, так что прорезь (отверстие 52 для протока жидкости) нижнего бокового яруса вертикальной стенки 10 открывается и начинает ввод потока 16 жидкости. Когда пропускная способность дополнительно увеличивается, прорезь (отверстие 52 для протока жидкости) верхнего бокового яруса также открывается, так что поток 16 жидкости вводится из всех прорезей, как показано на фиг.16В.
Здесь конструкция пластины 73 заслонки, движущейся вверх и вниз под действием плавучести от объема жидкости, не ограничивается плоской формой, показанной на фиг.14-16В, но можно также обеспечить, как показано на фиг.17А, например, выступающую пластину 74, выступающую вдоль горизонтальной стенки 21 в нижнем крайнем положении пластины 73а заслонки, так что сечение всей пластины 73а имеет L-образную форму. В этом случае, как показано на фиг.18А и фиг.18В, прорези (отверстия 52 для протока жидкости), обеспеченные в горизонтальных стенках 21, 31, также могут открываться и закрываться соответственно уровню жидкости объема жидкости.
Как показано на фиг.17В, также можно обеспечить корректор 75 плавучести, выступающий в поперечном направлении к внутренней части ячейки 22 верхнего бокового яруса в заданном положении высоты пластины 73b заслонки, так что сечение всей пластины 73b имеет Т-образную форму. Путем обеспечения корректора 75 плавучести становится возможно изменять плавучесть, действующую на пластину 73b заслонки соответственно уровню жидкости объема жидкости, как показано на фиг.18А и фиг.18В, например. В результате путем изменения положения высоты, на которой обеспечен корректор 75 плавучести, например, можно регулировать уровень жидкости объема жидкости в секции 53 пребывания в то время, когда соответствующие прорези (отверстие 52 для протока жидкости) открываются и закрываются. Следует отметить, что пластины 73, 73а, 73b заслонки, движущиеся вверх и вниз, получая плавучесть от данного объема, не ограничиваются конструкцией с полым элементом, могут быть сконструированы с элементом, например пластическим, плотность которого меньше, чем плотность жидкости, обрабатываемой в газожидкостном контакторе 1.
Различные вариации конструкций ячеек 22, 32, 42, описанные выше, могут быть определены с всесторонней точки зрения, рассматривая, например, пропускную способность газожидкостного контактора 1, время пребывания газа или жидкости в соответствующих ячейках 22, 32, 42, эффективность поглощения или отгонки, легкость течения используемых газа или жидкости, легкость обслуживания или сооружения и подобное.
Кроме того, газожидкостный контактор 1 согласно настоящему изобретению также может применяться для дистилляционной колонны, разделяющей или очищающей жидкость, например, как показано на фиг.19. Газожидкостный контактор 1, показанный на фиг.19, обеспечивается секцией 11 подачи жидкости, подающей, например, предварительно нагретую жидкость в среднем ярусе газожидкостного контактора 1, и градиент температуры обеспечивается между стороной вершины колонны и стороной дна колонны, чтобы достигать равновесия пар - жидкость соответственно температурам в соответствующих ячейках 22, 32, вследствие чего легкий компонент выпускается из секции 14 выпуска газа на вершине колонны, а тяжелый компонент выпускается из секции 12 выпуска жидкости на дне колонны. Следует отметить, что ссылочная позиция 61 на фиг.19 указывает конденсатор для конденсации газа, выпускаемого из секции 14 выпуска газа, тогда как ссылочная позиция 62 указывает ребойлер для повторного нагрева жидкости, выпускаемой из секции 12 выпуска жидкости.
Выше описан вариант осуществления и примеры его модификации в отношении газожидкостного контактора 1, в котором газ и жидкость вступают в контакт друг с другом, но комбинации текучих сред, с которыми может иметь дело контактор согласно настоящему изобретению, не ограничиваются ими. В качестве второго варианта осуществления настоящее изобретение может применяться к жидкостно-жидкостному контактору 1а для выполнения, например, экстракции или подобного с помощью жидкостно-жидкостного контакта легкой жидкости (восходящая текучая среда), текущей вверх в колонне, и тяжелой жидкости (нисходящая текучая среда), текущей вниз в колонне, например.
Фиг.20 представляет собой продольный вид с разрезом, схематично показывающий состояние внутренней области жидкостно-жидкостного контактора 1а согласно второму варианту осуществления, и такие же ссылочные позиции, как на фиг.6, относятся к компонентам, строение которых аналогично компонентам первого варианта осуществления. В настоящем варианте осуществления полное строение жидкостно-жидкостного контактора 1а аналогично строению газожидкостного контактора 1, например, показанного на фиг.1, за исключением того, что ссылочная позиция 11 указывает секцию подачи тяжелой жидкости, ссылочная позиция 12 указывает секцию выпуска тяжелой жидкости, ссылочная позиция 13 указывает секцию подачи легкой жидкости и ссылочная позиция 14 указывает секцию выпуска легкой жидкости, изображение которых опущено. Строение соответствующих ячеек 22, 32 подобно строению ячеек, показанных на фиг.4, и изображение пропущено, но данное строение отличается от строения ячеек 22, 32 согласно первому варианту осуществления в том отношении, что ссылочная позиция 51 указывает отверстие для легкой жидкости, а ссылочная позиция 52 указывает отверстие для тяжелой жидкости.
В жидкостно-жидкостном контакторе 1а согласно второму варианту осуществления тяжелая жидкость, пребывающая в ячейках 22, 32 верхних боковых ярусов, вводится с помощью ее потенциальной энергии в листоподобной форме в ячейки 22, 32 нижних боковых ярусов через отверстия 52 для тяжелой жидкости (отверстия ввода), которые обеспечены в форме прорезей. С другой стороны, из ячеек 22, 32 нижних боковых ярусов легкая жидкость течет в ячейки 22, 32 верхних боковых ярусов в виде листоподобных потоков, вытекая вверх посредством плавучести через щелеподобные отверстия 51 для легкой жидкости, обеспеченные непосредственно под отверстиями 52 для тяжелой жидкости.
Жидкостно-жидкостный контактор 1а, показанный на фиг.20, сконструирован так, что тяжелая жидкость становится дисперсной фазой, а легкая жидкость становится непрерывной фазой, и скорость течения легкой жидкости быстро увеличивается у отверстия 51 для легкой жидкости, обеспеченного в нижней стороне вблизи отверстия 52 для тяжелой жидкости, и легкая жидкость течет в ячейки 22, 32 верхнего бокового яруса в состоянии, когда скорость течения является максимальной, и затем скорость течения легкой жидкости быстро снижается по мере удаления от отверстия 51 для легкой жидкости. Когда тяжелая жидкость, вводимая в форме листа через множество отверстий 52 для тяжелой жидкости, обеспеченных в продольном направлении, устремляется в область, в которой течет легкая жидкость, листоподобное течение тяжелой жидкости деформируется и превращается в форму волнистой пластины, как показано на фиг.20, площадь поверхности раздела жидкость - жидкость становится больше, и листоподобное течение тяжелой жидкости в конце разрывается на многочисленные жидкие капли. Далее, жидкие капли, образованные в отверстии 52 для тяжелой жидкости верхнего яруса, текут вниз и сталкиваются с листом тяжелой жидкости, образованным в отверстии 52 для тяжелой жидкости нижнего яруса на одну ступень к самому нижнему ярусу, или сталкиваются с жидкими каплями, оторванными и образованными из него, и затем жидкие капли сливаются, диспергируются или разрушаются. Чем больше число и/или площадь отверстий 52 для тяжелой жидкости, которые открыты в соответствующих ячейках 22, 32, тем выше частота слияния и разрушения жидких капель. В процессе того как образуются жидкие капли, площадь поверхности раздела жидкость - жидкость между тяжелой жидкостью и окружающей легкой жидкостью становится больше, и жидкие капли после образования повторяют слияние, диспергирование и разрушение, протекает массоперенос, и экстракция конкретного материала может эффективно выполняться, например. Кроме того, многочисленные образованные жидкие капли похожи по размеру и диаметру капель, и поэтому мелкие жидкие капли трудно образуются, так что затопление едва ли происходит, например. Следует отметить, само собой, что вариации, объясняемые с использованием фиг.8-11, также могут применяться для жидкостно-жидкостного контактора 1а.
С другой стороны, в экстракционной системе, имеющей большое межфазное натяжение, или в экстракционной системе, где тяжелая жидкость и легкая жидкость имеют высокую вязкость, диаметр образованных жидких капель может быть иногда больше в некоторой степени, и экстракция может не выполняться эффективно. Тогда, как показано на фиг.21, генератор 19 пульсации присоединяется к нижестоящей секции, представляющей собой секцию дна колонны экстракционной колонны 1d, например, сделанной из жидкостно-жидкостного контактора 1а согласно настоящему варианту осуществления, или пульсация, генерируемая путем направления воздушного импульса, используется в комбинации, вследствие чего образующаяся жидкая капля делается меньше и экстракция может выполняться более эффективно. Следует отметить, что на фиг.21 ссылочная позиция 11а указывает секцию подачи тяжелой жидкости, ссылочная позиция 12а указывает секцию выпуска тяжелой жидкости, ссылочная позиция 13а указывает секцию подачи легкой жидкости и ссылочная позиция 14а указывает секцию выпуска легкой жидкости.
С другой стороны, в случае когда легкая жидкость является дисперсной фазой, а тяжелая жидкость является непрерывной фазой, существует отличие от жидкостно-жидкостного контактора 1а, объясненного на фиг.22, в том, что ячейка 32, показанная на фиг.4, делается верхней стороной вниз, ссылочная позиция 51 на фиг.4 равнозначна отверстию для тяжелой жидкости (указанному как отверстие 51а для тяжелой жидкости), и ссылочная позиция 52 равнозначна отверстию для легкой жидкости (указанному как отверстие 52а для легкой жидкости), как в жидкостно-жидкостном контакторе 1b, показанном на фиг.20.
В жидкостно-жидкостном контакторе 1b легкая жидкость, пребывающая в ячейках 22, 32 нижних боковых ярусов, вводится в форме листа посредством ее плавучести в ячейки 22, 32 верхних боковых ярусов через отверстие 52а для легкой жидкости (отверстие ввода), обеспеченное в форме прорези. С другой стороны, из ячеек 22, 32 верхних боковых ярусов тяжелая жидкость течет в ячейки 22, 32 нижних боковых ярусов в листоподробном потоке, стекая вниз с помощью потенциальной энергии через щелеподобное отверстие 51а для тяжелой жидкости, обеспеченное непосредственно над отверстием 52а для легкой жидкости.
В результате когда легкая жидкость, вводимая в форме листа через отверстия 52а для легкой жидкости, устремляется в область, где тяжелая жидкость течет в форме листа в состоянии, когда скорость течения является максимальной, из отверстия 51а для тяжелой жидкости, обеспеченного в верхней стороне относительно отверстия 52а для легкой жидкости, листоподобное течение легкой жидкости деформируется и превращается в форму волнистой пластины, как показано на фиг.22, поверхность раздела жидкость - жидкость становится больше, и листоподобное течение легкой жидкости в конце разделяется на многочисленные жидкие капли. Далее, жидкие капли, образованные в отверстии 52а для легкой жидкости нижней стороны среди отверстий 52а для легкой жидкости, последовательно обеспеченных в продольном направлении, текут вверх и сталкиваются с листом легкой жидкости, образованным в отверстиях 52а для легкой жидкости более высокого яруса на одну ступень к самому высокому ярусу, или сталкиваются с жидкими каплями, оторванными и образованными от данного листа легкой жидкости, и затем жидкие капли сливаются, диспергируются или разрушаются. Чем больше число и/или площадь отверстий 52а для легкой жидкости, которые открыты в соответствующих ячейках 22, 32, тем выше частота слияния и разрушения жидких капель. В результате подобно вышеописанному жидкостно-жидкостному контактору 1а, объясняемому с использованием фиг.20, площадь поверхности раздела жидкость - жидкость между тяжелой жидкостью и окружающей легкой жидкостью становится больше, и жидкие капли после образования повторяют слияние, диспергирование и разрушение, и поэтому происходит массоперенос, и возможна не только эффективная экстракция, но также многочисленные образованные жидкие капли одинаковы по размеру и диаметру капель, и мелкие жидкие капли с трудом образуются, так что затопление едва ли происходит, например. Следует также отметить, что в жидкостно-жидкостном контакторе 1b можно наклонять горизонтальные стенки 21, 31, например, делая выше в направлении отверстия 52а для легкой жидкости, чтобы легче выпускать легкую жидкость, а также можно делать ячейки 22, 32 верхних боковых ярусов и ячейки 22, 32 нижних боковых ярусов уложенными выше и ниже друг друга и обеспечить отверстия 52а для легкой жидкости также в горизонтальных стенках 21, 31 потолочной стороны поверхности. С другой стороны, в экстракционной системе, имеющей большое межфазное натяжение, или в экстракционной системе, где тяжелая жидкость и легкая жидкость имеют высокую вязкость, диаметр образованных жидких капель может быть иногда больше в некоторой степени, и экстракция может не выполняться эффективно. Тогда, подобно примеру, показанному на фиг.22, генератор 19 пульсации, например, присоединяется к нижестоящей секции, представляющей собой секцию дна колонны экстракционной колонны, сделанной из жидкостно-жидкостного контактора 1b согласно настоящему варианту осуществления, например, или пульсация, генерируемая путем направления воздушного импульса, используется в комбинации, вследствие чего образующаяся жидкая капля делается меньше и экстракция может выполняться более эффективно.
Как описано выше, во втором варианте осуществления, показанном на фиг.20 и фиг.22, можно заставить тяжелую жидкость (или легкую жидкость), являющуюся дисперсной фазой, и легкую жидкость (или тяжелую жидкость), являющуюся непрерывной фазой, которые вводятся в форме листов, энергично пересекаться друг с другом по сравнению с жидкостно-жидкостным контактором 120, описанным в разделе "Уровень техники" с использованием фиг.27, и таким образом можно увеличить площадь поверхности раздела жидкость - жидкость во время образования жидкой капли, увеличивая частоту слияния и разрушения жидких капель после образования и увеличивая скорость массопереноса, так что эффективность экстракции может быть увеличена. Кроме того, так как тяжелая жидкость (или легкая жидкость) вводится в форме листа в отличие от обычного ввода в форме столба жидкости, размер образованных жидких капель и диаметр капель становится более однородным, и образование мелких жидких капель можно сдерживать, так что скорость затопления, например, может быть улучшена.
Выше, в контакторах 1, 1а, описанных в первом и втором вариантах осуществления, приводится контактор, в котором внутренняя область цилиндрической колонны разделена с помощью перегородок, состоящих из вертикальной стенки 10 и горизонтальных стенок 21, 31, 41, образуя множество ячеек 22, 32, 42, но контактор, включенный в настоящее изобретение, не ограничивается данным контактором, в котором соседние ячейки 22, 32, 42 делятся перегородками, как в вышеприведенных примерах. Например, настоящее изобретение включает в себя контактор, в котором ячейки 22, 32, 42, имеющие кубические формы, образованы индивидуально, и отверстия 52 для протока жидкости и отверстия 51 для протока газа соседних ячеек 22, 32, 42 соединяются друг с другом с помощью труб, соответственно находящихся на разных ярусах.
[Рабочий пример]
(Эксперимент 1)
Изготавливали газожидкостный контактор, имеющий почти такое же строение, как контактор, показанный на фиг.8А и 8В, и проверяли состояние газожидкостного контакта.
А. Экспериментальный метод
В качестве основного тела газожидкостного контактора 1 использовали прозрачную цилиндрическую трубу, сделанную из поливинилхлорида, которая имела диаметр колонны 210 мм и высоту 1200 мм, и ячейки 22, 32, 42 формировали, используя перегородки (вертикальную стенку 10, горизонтальные стенки 21, 31), сделанные из нержавеющей стали (SUS304). Высоты соответствующих ячеек 22, 32, 42 составляли 200 мм, и внутреннюю часть цилиндрической трубы делили так, что три линии ячеек из пяти уложенных ярусов располагались в поперечном направлении. Поверхности сторон соответствующих ячеек 22, 32, 42 имели почти такое же строение, как показано на фиг.3В, высота в продольном направлении прорези отверстия 52 для протока жидкости была 3 мм, и высота в продольном направлении прорези отверстия 51 для протока газа была 10 мм.
В описанный выше газожидкостный контактор 1 подавали воду из секции 11 подачи жидкости и воздух из секции 13 подачи газа и затем воду и воздух подвергали противоточному контакту.
(Рабочий пример 1) Воздух подавали с внешней скоростью 0,5 м/с и внешнюю скорость воды варьировали как 0,5 см/с, 1,0 см/с и 1,5 см/с.
(Рабочий пример 2) При внешней скорости воздуха 1,0 м/с внешнюю скорость воды варьировали так же, как в рабочем примере 1.
(Рабочий пример 3) При внешней скорости воздуха 1,5 м/с внешнюю скорость воды варьировали так же, как в рабочем примере 1.
(Рабочий пример 4) При внешней скорости воздуха 1,0 м/с водный раствор с низкой концентрацией (0,5% масс) этанола, представляющий собой пенистый водный раствор, подавали вместо воды и внешнюю скорость варьировали как 0,5 см/с, 1,0 см/с и 1,5 см/с.
(Рабочий пример 5) При внешней скорости воздуха 1,0 м/с небольшое количество поверхностно-активного агента TRITON X-100 подмешивали в воду (5 мг/л), чтобы использовать пенистый водный раствор вместо воды, и внешнюю скорость варьировали как 0,5 см/с, 1,0 см/с и 1,5 см/с.
В. Экспериментальные результаты
Согласно результатам визуального наблюдения газожидкостного состояния было доказано, что при любых условиях от рабочего примера 1 до рабочего примера 3 вода превращалась в жидкие капли и диспергировалась в соответствующих ячейках 22, 32, и затем отделялась от газовой фазы, образуя объем жидкости в секции 53 пребывания. Также было доказано, что никакого пенообразования не происходило в рабочем примере 4 и рабочем примере 5. Когда газ диспергируется в водном растворе этанола низкой концентрации или малом количестве водного раствора, содержащего небольшое количество поверхностно-активного агента, слой пены образуется в верхней секции жидкости, и пенообразование происходит при газожидкостном контакте в тарельчатой колонне, создавая проблему пониженной производительности способа. Однако когда жидкие капли диспергируются в газе, как в настоящем примере, пенообразования можно избежать, и никакого пенистого слоя не образуется, то есть может быть получен тот эффект, что предотвращается снижение производительности способа за счет пенообразования.
(Эксперимент 2)
Подобно строению, показанному на фиг.9, отверстия 52 для протока жидкости обеспечивали в вертикальной стенке 10 и горизонтальных стенках 21, 31, и отверстие 51 для протока газа обеспечивали в положении непосредственно ниже отверстия 52 для протока жидкости в стороне вертикальной стенки 10, и ячейки 22, 32 двух линий изготавливали (фиг.23), встраивая в существующую дистилляционную колонну, для выполнения теста дистилляции и теста отгонки.
А. Экспериментальный метод
Дистилляционная колонна имела внутренний диаметр колонны 198 мм и высоту 3300 мм, и ячейки 22, 32 располагали в две линии и семь ярусов (четырнадцать ярусов всего). Соответствующие ячейки 22, 32 имели высоту 400 мм, отверстие для протока газа имело высоту 20 мм, и отверстия 52 для протока жидкости представляли собой два ряда прорезей шириной 3 мм в горизонтальной стенке и три ряда прорезей шириной 3 мм в вертикальной стенке. Дистилляционная колонна имела ребойлер 62 в секции дна колонны и конденсатор 61 в секции вершины колонны.
Сначала тест дистилляции выполняли в условиях полного орошения, используя смешанный раствор этилбензола и хлорбензола.
Затем смесь этилбензола и хлорбензола подавали в вершину дистилляционной колонны, причем скорость подачи и температуры ребойлера 62 изменяли, тест отгонки выполняли без орошения. В обоих экспериментах пар из вершины колонны вводили в конденсатор 61, поддерживая давление при атмосферном давлении.
(Рабочий пример 6)
После того как смешанный раствор этилбензола и хлорбензола (массовая доля этилбензола составляла 0,50 и массовая доля хлорбензола составляла 0,50) получали на дне дистилляционной колонны, часть его направляли в ребойлер 62 и с выхода ребойлера жидкость возвращали на дно колонны, температуру жидкости дна колонны повышали до заданной температуры. Пар, вытекающий из вершины колонны, вводили в конденсатор 61, и после охлаждения и конденсации весь жидкий дистиллят стекал обратно в вершину колонны. Давление конденсатора 61 поддерживали при атмосферном давлении, и после того как соответствующие температуры жидкости на выходе ребойлера, дна колонны и вершины колонны, и скорости потока орошения становились постоянными, отбирали образцы из жидкости вершины колонны и жидкости дна колонны и анализировали с помощью газовой хроматографии. Измеренные результаты для жидкости вершины колонны и жидкости дна колонны после достижения стационарного состояния показаны в таблице 1.
(Рабочий пример 7)
Смешанный раствор этилбензола и хлорбензола (мольная доля этилбензола составляла 0,379 и мольная доля хлорбензола составляла 0,621) непрерывно подавали в вершину отгоночной колонны, и все количество жидкого дистиллята выпускали из вершины колонны и жидкость дна выпускали из дна колонны. После достижения стационарного состояния отбирали образцы из жидкости вершины колонны и жидкости дна колонны и анализировали с помощью газовой хроматографии. Измеренные результаты показаны в таблице 2.
(Рабочий пример 8)
Количество материала (мольная доля этилбензола составляла 0,426 и мольная доля хлорбензола составляла 0,574), подаваемого в отгоночную колонну, увеличивали от количества рабочего примера 7 на приблизительно 17% и операцию выполняли таким же способом, получая данные. Измеренные результаты показаны в таблице 2.
Таблица 1
Параметр измерения, результаты операции
Рабочий пример 6
Массовая скорость потока
Орошение
кг/ч
261
Температура
Вход орошенияВершина колонныДно колонныВыход ребойлера
°С°С°С°С
99,7133,0136,5137,4
Состав
Вершина колонныХлорбензолЭтилбензолДно колонныХлорбензолЭтилбензол
мол. долямол. долямол. долямол. доля
0,6550,3450,4560,544
Число теоретических тарелокОбщая эффективность ячейки
-%
6,949
Таблица 2
Параметр измерения, результаты операции
Рабочий пример 7
Рабочий пример 8
Массовая скорость потока
ОрошениеПодачаДистиллятДонная
кг/чкг/чкг/чкг/ч
02602537
030523867
Температура
Вход подачиВершина колонныДно колонныВыход ребойлера
°С°С°С°С
100,9133,2135,6136,4
99,7133,4136,0136,6
Состав
ПодачаХлорбензолЭтилбензол
мол. долямол. доля
0,6210,379
0,5740,426
Вершина колонныХлорбензолЭтилбензол
мол. долямол. доля
0,6270,373
0,5990,401
Дно колонныХлорбензолЭтилбензол
мол. долямол. доля
0,4400,560
0,4890,511
Число теоретических тарелокОбщая эффективность ячейки
-%
750
964
В. Экспериментальные результаты
Согласно экспериментальным результатам, показанным в таблице 1, в тесте дистилляции с полным орошением (рабочий пример 6) так как концентрация низкокипящего хлорбензола (132°С) выше у секции вершины колонны, а концентрация высококипящего этилбензола (136,22°С) выше у секции дна колонны по сравнению с составом во время приготовления, обнаружено, что фракционная дистилляция обоих компонентов выполняется в дистилляционной колонне. Когда температура выхода ребойлера 62 составляет 137,4°С и величина орошения от конденсатора 61 составляет 261 кг/ч, число теоретических тарелок, вычисленное на основании соответствующих измеренных составов у вершины колонны и дна колонны (мольная доля (мол. доля)), составляет 6,9 тарелок, а полная эффективность ячейки составляет 49%.
Кроме того, согласно экспериментальным результатам, показанным в таблице 2, и в рабочем примере 7, и в рабочем примере 8, концентрация низкокипящего хлорбензола в дистилляте из вершины колонны является высокой, а концентрация высококипящего этилбензола является высокой в выпускаемой жидкости из дна колонны относительно исходного состава смешанного раствора, и обнаружено, что отгонка легкого компонента выполняется в дистилляционной колонне.
В тесте отгонки рабочего примера 7, когда температура выхода ребойлера 62 поддерживается при 136,4°С и скорость подачи, наполняющей отгоночную колонну, установлена на 260 кг/ч, количество дистиллята составляет 253 кг/ч и количество донной жидкости составляет 7 кг/ч, и общая эффективность ячейки равна 50%. В тесте отгонки рабочего примера 8, в котором пропускная способность дополнительно увеличена, когда температура выхода ребойлера 62 поддерживается при 136,6°С и скорость подачи, наполняющей отгоночную колонну, установлена на 305 кг/ч, количество дистиллята составляет 238 кг/ч и количество донной жидкости составляет 67 кг/ч, и общая эффективность ячейки равна 64%. Когда пропускная способность растет и количества жидкости, пребывающей в соответствующих ячейках, увеличиваются, постоянная эффективность улучшается.
(Эксперимент 3)
В следующем сравнительном примере и рабочем примере выполняли операцию жидкостно-жидкостной экстракции, экстрагируя уксусную кислоту из водного раствора уксусной кислоты (далее называемого исходным материалом), имеющего концентрацию 29% масс. в каждом случае, смешанным растворителем (далее называемым растворителем) из этилацетата 80% об. + циклогексана 20% об.
(Сравнительный пример 1)
В качестве экстрагирующего аппарата использовали колонну 120 жидкостно-жидкостной экстракции запрудно-тарельчатого типа (патентный документ 3), имеющую структуру, показанную на фиг.24. Колонна 120 жидкостно-жидкостной экстракции имела внутренний диаметр 208 мм, и доля открытой площади пути 123 жидкого течения (площадь пути жидкого течения/площадь сечения колонны) тарелки 121 была 32%, в ней располагались 25 ярусов тарелок 121 запрудно-тарельчатого типа, имеющих четыре отверстия 124 из прямоугольников 25 мм × 20 мм в качестве пути жидкого течения диспергированной фазы при интервале между тарелками 100 мм.
Сырье представляло собой тяжелую жидкость, и растворитель представлял собой легкую жидкость, и тяжелая жидкость была диспергированной фазой, и отношение растворителя (массовое отношение растворитель/сырье) выбирали 2/1, жидкостно-жидкостный противоточный контакт выполняли при температуре приблизительно 20°С при атмосферном давлении.
Когда скорость подаваемого сырья составляла 218 кг/ч и растворителя (концентрация уксусной кислоты 0%) 436 кг/ч, рафинат имел скорость течения 131 кг/ч и концентрацию уксусной кислоты 2,3% масс. Вычисление равновесия жидкость - жидкость выполняли, чтобы получить высоту, эквивалентную теоретической тарелке (далее называемой ВЭТТ), и ВЭТТ составляла 0,64 м.
Когда подачу сырья и растворителя увеличивали до 335 кг/ч для сырья и 670 кг/ч для растворителя, происходило затопление.
(Рабочий пример 9)
Эксперимент выполняли, используя экстрагирующий аппарат ячеистого типа (жидкостно-жидкостный контактор 1с) согласно варианту осуществления настоящего изобретения, который имеет структуру, показанную на фиг.25, в качестве экстрагирующего аппарата. Ячейки 22, 32, 42 трех линий - двенадцать тарелок располагались в колонне, имеющей внутренний диаметр 208 мм, и высота соответствующих ячеек 22, 32, 42 составляла 200 мм, прорези отверстия 52 для тяжелой жидкости имели ширину 5 мм и были расположены в два ряда, и ширина отверстия 51 для легкой жидкости составляла 20 мм. Условия, за исключением скоростей подачи сырья и растворителя, были такие же, как в сравнительном примере 1.
Когда подача сырья была 218 кг/ч и подача растворителя (концентрация уксусной кислоты 0%) была 436 кг/ч, рафинат имел скорость потока 132 кг/ч и концентрацию уксусной кислоты 1,5% масс. Вычисление равновесия жидкость - жидкость выполняли, чтобы получить ВЭТТ, и ВЭТТ составляла 0,54 м.
Когда подача сырья была 335 кг/ч и подача растворителя (концентрация уксусной кислоты 0%) была 670 кг/ч, рафинат имел скорость потока 205 кг/ч и концентрацию уксусной кислоты 1,2% масс. Вычисление равновесия жидкость - жидкость выполняли, чтобы получить высоту, эквивалентную теоретической тарелке (далее называемой ВЭТТ), и ВЭТТ составляла 0,49 м.
Когда подачу сырья и растворителя увеличивали до 450 кг/ч для сырья и 900 кг/ч для растворителя, происходило затопление.
Пропускная способность и эффективность экстракции для сравнительного примера 1 и настоящего изобретения показаны в таблице 3.
Таблица 3
Количество подаваемой жидкости (кг/ч)
Эффективность экстракции
Сырье
Растворитель
Сравнительный пример 1
Рабочий пример 9
Экстрагированная уксусная кислота (%)
ВЭТТ (м)
Экстрагированная уксусная кислота (%)
ВЭТТ (м)
218
436
95,2
0,64
96,9
0,54
335
670
*
*
97,5
0,49
450
900
*
*
*) происходит затопление
Согласно экспериментальным результатам, показанным в таблице 3, в случае когда количества подаваемого сырья были одинаковые (218 кг/ч для сырья, 436 кг/ч для растворителя), при сравнении результатов проверки экстракции колонны 120 жидкостно-жидкостной экстракции запрудно-тарельчатого типа (сравнительный пример 1) и колонны 1с жидкостно-жидкостной экстракции ячеистого типа (рабочий пример 9) величина ВЭТТ в рабочем примере 9 была меньше, чем в сравнительном примере 1, приблизительно на 15,6%, и эффективность экстракции была лучше. Кроме того, при количестве подаваемой жидкости (335 кг/ч для сырья, 670 кг/ч для растворителя), при котором в сравнительном примере 1 происходит затопление, операция экстракции возможна без затопления в рабочем примере 9.