СПОСОБ МАССООБМЕНА
METHOD OF MASS EXCHANGE

Изобретение относится к процессам массообмена в противотоке жидкости и газа в абсорбционных и ректификационных аппаратах с контактными ступенями в виде тарелок или насадок, и может быть использовано в газовой, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен способ массообмена путем взаимодействия подаваемых противотоком жидкости и газа на провальных тарелках (полезная модель №2350, В01Д 3/22, опуб. 16.07.96, ОБ №7), с дроблением газового потока и жидкости на сетке, уложенной на всей поверхности каждой провальной тарелки.
Общими признаками известного и предлагаемого решений являются взаимодействие жидкости и газа на контактных ступенях с дроблением газового потока и жидкости на ячеистой структуре - сетке.
Недостатком такого способа является то, что газ и жидкость проходят через одни и те же перфорации, при этом места стока жидкости и прохода пара, как на любой провальной тарелке, случайным образом перемещаются по поверхности полотна, что снижает эффективность массообмена.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ массообмена путем взаимодействия подаваемых противотоком жидкости и газа, осуществляемый на контактном устройстве для массообменных аппаратов (полезная модель №31515, В01Д 3/18, 3/22 опуб. 20.08.2003 г., ОБ №23), который заключается во взаимодействии жидкости и газа на провальных тарелках с дроблением газового потока и жидкости на сетке, размещенной по всей поверхности тарелок, и организацией на тарелках чередующихся областей преимущественного прохода газа и областей преимущественного стока жидкости. Области преимущественного стока жидкости организованы за счет обеспечения стока жидкости через отбортованные вниз перфорации, благодаря чему образуется столб жидкости, способствующие провалу жидкости с тарелки преимущественно в областях перфораций с отбортовкой. Т.к. отбортованные и неотбортованные перфорации равномерно размещены по поверхности полотна, на контактной ступени организуются чередующиеся области преимущественного стока жидкости и преимущественного прохода газа.
Общими признаками известного и предлагаемого решений являются взаимодействие на контактных ступенях подаваемых противотоком жидкости и газа с организацией на контактных ступенях чередующихся областей преимущественного прохода газа и областей преимущественного стока жидкости.
Недостатком такого способа является пониженная производительность процесса массообмена вследствие повышенного гидравлического сопротивления по всей поверхности тарелки и недостаточная организация упорядоченного движения газовых и жидкостных фаз из-за сложностей провала жидкости в предназначенных для этого областях ввиду ее задержки на сетке по всей поверхности тарелки, возможностей перетока и попадания в перфорации без отбортовок.
Техническая задача заключается в повышении производительности процесса массообмена и его эффективности за счет улучшения условий для упорядоченного движения жидкости и газа на каждой контактной ступени и лучшего стока жидкости.
r
ж
с
Техническая задача достигается тем, что в способе массообмена путем взаимодействия подаваемых противотоком жидкости и газа на контактных ступенях с организацией на контактных ступенях чередующихся областей преимущественного прохода газа и областей преимущественного стока жидкости согласно изобретению области преимущественного прохода газа организуют обеспечением в них повышенного гидравлического сопротивления для жидкости на ячеистой структуре при обеспечении условия  где p - давление газа, p - давление слоя жидкости над отверстием, а Δр - давление, обусловленное сопротивлением, вызываемым силами поверхностного натяжения.
Также над и/или под областями преимущественного стока жидкости контактной ступени организуют области преимущественного прохода газа.
r
ж
с
Организация областей преимущественного прохода газа обеспечением в них повышенного гидравлического сопротивления на ячеистой структуре позволяет обеспечить беспрепятственный провал жидкости в областях с пониженным гидравлическим сопротивлением - там, где ячеистая структура отсутствует, и удержание жидкости от проваливания в области с повышенным гидравлическим сопротивлением для жидкости и проход газа, который устремляется в эти области, т.к. другие заполнены стекающей жидкостью. При этом в областях преимущественного прохода газа обеспечивается условие  где р - давление газа, p - давление слоя жидкости над отверстием, а Δр - давление, обусловленное сопротивлением, вызываемым силами поверхностного натяжения. За счет организации упорядоченного движения газовых и жидкостных фаз происходит равномерное распределение стока жидкости на контактной ступени в предназначенных для этого областях и эффективный массообмен поднимающегося газа и жидкости в областях с повышенным гидравлическим сопротивлением. Повышенное гидравлическое сопротивление для жидкости в областях с ячеистой структурой обеспечивается, в частности, созданием на ячеистой структуре пленки жидкости за счет сил поверхностного натяжения, что препятствует провалу жидкости и одновременно способствует интенсивному пенообразованию в этих областях и интенсификации массообмена. При этом за счет организации беспрепятственного стока жидкости в областях с пониженным гидравлическим сопротивлением - через перфорации каждой контактной ступени - повышается производительность процесса массообмена благодаря снижению общего гидравлического сопротивления каждой контактной ступени и контактного устройства в целом.
Организация над и/или под областями преимущественного стока жидкости контактной ступени областей преимущественного прохода газа позволяет создать условия для более равномерного по объему контактного устройства и более интенсивного массообмена жидкости и газа в пространстве между контактными ступенями, что повышает эффективность массообмена.
Способ массообмена осуществляется следующим образом.
Жидкость подается в верхнюю часть колонны на верхнюю контактную ступень контактного устройства провального типа с перфорациями, а газ - в нижнюю часть колонны. Жидкость с верхней тарелки самотеком, под действием силы тяжести, переливается на нижележащие контактные ступени преимущественно через области с пониженным гидравлическим сопротивлением - через области со свободными отверстия. Газ же преимущественно проходит через отверстия с уложенной на них ячеистой структурой, удерживающей на себе пленку жидкости и создающей повышенное гидравлическое сопротивление, препятствующее проваливанию жидкости. При этом в областях с повышенным гидравлическим сопротивлением происходит активное пенообразование и эффективный массообмен. Условия массообмена улучшаются также за счет того, что под областями преимущественного стока жидкости расположены области преимущественного прохода газа, что улучшает условия массообмена и в пространстве между контактными ступенями. Таким образом, достигается перемешивание фаз и создаются условия для эффективного массообмена, при этом производительность процесса не снижается благодаря организации условий для стока жидкости на нижележащие контактные ступени.
При подборе размера ячеек сетки, располагаемой над отверстиями, благодаря которой в данной области создается повышенное гидравлическое сопротивление, должно выполняться условие, обеспечивающее проход газа и удержание жидкости в областях преимущественного прохода газа. Для прохода газа через отверстие, укрытое сеткой, ему необходимо преодолеть давление жидкости, удерживаемой на сетке и давление, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости. Для удержания жидкости на сетке необходимо соблюдение условия:
r
где p давление газа,
r
r
r
2
р=р·W ,
r
где р - плотность газа,
r
W - скорость газа,
ж
p - давление слоя жидкости над отверстием,
ж
где Н - высота светлого слоя жидкости на контактной ступени,
- ускорение свободного падения,
с
Δp - давление, обусловленное сопротивлением, вызываемым силами поверхностного натяжения,
где σ - поверхностное натяжение ДЭГа, Н/м;
r - гидравлический радиус, м.
0
2
где S - площадь отверстия, м;
0
П - периметр отверстия, м.
Формулы для расчета указанных величин известны, например, из книги «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии». Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А.: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000 г.
r
ж
ж
r
ж
ж
3
3
-3
В примере осуществления способа приняты следующие параметры. Газовой средой является нефтяной газ с плотностью р=40 кг/м, а жидкой средой - ДЭГ с плотностью р=1100 кг/м и поверхностным натяжением σ=50·10 Н/м. Скорость газа в отверстиях W - 5 м/с (данное значение принято на основании опыта использования провальных тарелок в промышленных колонных аппаратах, скорость газа не должна превышать 8-10 м/с). Высота светлого слоя жидкости Н должна быть в пределах 100-150 мм. Принимаем Н=120 мм. Отверстия на контактной ступени имеют квадратную форму размером - 10×10 мм.
Давление жидкостного слоя над отверстием:
ж
р=1100·9,81·0,12=1295 Па.
Давление газа:
r
5
p=40·5=1000 Па.
Рассчитаем давление, обусловленное сопротивлением, вызываемым силами поверхностного натяжения отдельно взятого отверстия, без сетки.
При этом условие для удержания жидкости и преимущественного прохода газа
ж
r
с
р<р+Δр не выполняется:
1295<1000+20;
1295<1020 Па (неверно).
Следовательно, через отверстия размером - 10×10 мм - области с пониженным гидравлическим сопротивлением (без сетки) преимущественно будет сливаться жидкость.
Рассчитаем давление, обусловленное сопротивлением, вызываемым силами поверхностного натяжения для отверстия с уложенной над ним сеткой размером 0,5×0,5 мм.
0
П=800·10 м;
0
-6
2
S=100·10 м.
Проверяем условие для удержания жидкости и преимущественного прохода газа:
1295<1000+400 Па;
1295<1400 Па (верно).
Следовательно, через отверстие преимущественно пойдет газ.
Пользуясь подобными расчетами, для определенных условий можно подобрать размеры ячеек сетки, при которых через области с повышенным гидравлическим сопротивлением будет поступать газ и удерживаться жидкость, обеспечивая условия для эффективного массообмена.
Проведенные лабораторные исследования также показали, что согласно данному способу массообмена эффективность процесса повышается на 3-5% по сравнению с ближайшим аналогом.