ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к массообменным аппаратам и может найти применение в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, в области экологических процессов и других отраслях промышленного производства для разделения гомогенных жидко-, газо- и парообразных систем в процессах ректификации, абсорбции, десорбции и использоваться в газожидкостных реакторных процессах.
Известна конструкция контактного аппарата, содержащего корпус, трубу с оросителями, установленную по оси и соединенную с патрубком ввода жидкости, винтовое устройство с лопастями, сепаратор, патрубки ввода и вывода газа и жидкости. Внутренняя поверхность корпуса имеет ребра, а труба с оросителями в ее нижней части снабжена установленными между лопастями винтового устройства козырьками, расположенными напротив ребер, при этом внутренняя поверхность трубы с оросителями сообщена с внутренней полостью винтового устройства. Труба с оросителями выполнена в виде эллипса, лопасти винтового устройства выполнены перфорированными и винтовое устройство выполнено перфорированным. [а.с. СССР №1214124, кл В01Д 3/32, 47/04, 1986]
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится низкая производительность по массопередаче вследствие недостаточно развитой поверхности контакта фаз, создаваемой разбрызгиванием жидкости в виде капель и вспениванием только за счет скорости потока газа или пара при входе в слой жидкости, величина которой всегда будет зависеть от расхода газа или пара. Кроме того, необходимость регулирования в процессе работы аппарата высоты пенного слоя в каждом межвитковом пространстве усложняет обслуживание аппарата.
Известна конструкция горизонтального массообменного аппарата, содержащего распылительное устройство пульверизационного типа, контактную трубу и сепаратор для отделения пара от жидкости, при этом сепаратор и контактная труба образуют корпус в виде горизонтальной цилиндрической поверхности, а контактная труба выполнена в виде объемной спирали, которая соединена с распылительным устройством и патрубком подвода жидкости. [Свидетельство на полезную модель РФ №19267, В01Д 3/32, 2001]
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится то, что в спиралевидной контактной трубе под действием центробежной силы происходит осаждение капель на поверхность трубы и образуется пленочное течение с меньшей поверхностью контакта фаз, что и приводит к снижению эффективности массопередачи и снижает производительность аппарата по распределяемому компоненту.
При увеличении расхода пара увеличивается сепарация паро-капельного потока в спиральном канале, снижая тем самым эффективность работы аппарата и ограничивая его диапазон работы по скорости пара. Кроме того, спиралевидная форма контактной трубы и расположенная вне корпуса система патрубков для подвода жидкости к контактным трубам усложняют конструкцию аппарата.
Наиболее близкой по совокупности признаков и принятой за прототип является конструкция горизонтального массообменного аппарата, содержащего распылительное устройство, контактную трубу и сепаратор для отделения пара от жидкости, образующие корпус в виде горизонтальной цилиндрической поверхности, при этом контактная труба выполнена в виде объемной спирали, которая соединена с патрубком подвода жидкости и заполнена высокопроницаемой насадкой в области между патрубком подвода жидкости и сепаратором. [Свидетельство на полезную модель РФ №100426 U1, B01D 3/32, 2010]
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится ограничение рабочей области указанного массообменного аппарата по расходу пара вследствие возрастания поперечной неравномерности в его работе при повышенных и пониженных расходах пара, что является одной из причин снижения эффективности работы массообменного аппарата. При повышенных расходах пара в кольцевом фильтрационном потоке вследствие возрастания фактора разделения распределение жидкой фазы дисперсного потока в поперечном сечении будет неравномерным, что, как известно, снижает эффективность работы контактных устройств массообменных аппаратов. При пониженных расходах пара возможность влияния сил инерции на разделение дисперсного фильтрационного потока в кольцевом канале снижается, но при этом вследствие различной длины искривленных траекторий частиц жидкости, одновременно поступивших в кольцевое контактное устройство, будет возрастать неравномерность по времени их пребывания в контактном устройстве, что также является одной из причин снижения эффективности работы контактного устройства. В наибольшей степени негативное влияние указанных видов поперечной неравномерности будет проявляться в аппарате малого диаметра.
Недостатком рассматриваемой конструкции массообменного аппарата является и ее несовершенство, обусловленное кольцевой спиралеобразной формой контактного устройства и расположением труб для перемещения жидкости вне корпуса аппарата. Величина рабочего объема контактного устройства, определяемого слоем высокопроницаемой насадки, заполняющей только половину кольцевых труб, невелика относительно общего объема аппарата, что существенно снижает частные показатели совершенства его конструкции, также как удельная производительность в расчете на единицу объема и коэффициенты использования массы, объема и компактность.
Расположение труб для перемещения жидкости вне корпуса аппарата увеличивает не только общий объем аппарата, но и приводит к увеличению гидравлического сопротивления ступеней контактирования. К увеличению гидравлического сопротивления приводит наличие местных сопротивлений в виде двух отводов, необходимых для подсоединения каждой трубы к корпусу аппарата. Увеличение диаметра труб сверх необходимого с целью снижения потерь напора в местных сопротивлениях будет приводить к увеличению общего объема аппарата и его габаритов. Кроме того, наличие в конструкции аппарата множества внешних труб с отводами увеличивает количество внешних швов, требования к выполнению которых выше, чем для внутренних. Увеличение количества внешних швов, высококачественное исполнение которых необходимо для обеспечения прочности и безаварийной работы аппарата, и изготовление контактной трубы в виде объемной спирали усложняют технологию изготовления аппарата.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является повышение эффективности массообменного процесса за счет увеличения интенсивности процесса массопередачи, устранения поперечной неравномерности и уменьшения продольного перемешивания при работе аппарата в широком диапазоне по расходу пара.
Поставленный технический результат достигается тем, что в горизонтальном массообменном аппарате, содержащем контактное устройство, заполненное высокопроницаемой насадкой, и сепаратор для отделения пара от жидкости, причем сепаратор и контактное устройство образуют корпус в виде горизонтальной цилиндрической поверхности, при этом контактное устройство выполнено в виде плоского канала, образованного двумя поперечными перегородками с сегментными отверстиями, одна из которых, - первая со стороны подачи пара в аппарат - обращена отверстием вниз, а другая - отверстием вверх, при этом боковые стороны канала в пределах сегментных отверстий ограничены плоскими вертикальными стенками, сепарационное пространство разделено на две секции дополнительной поперечной перегородкой с сегментным отверстием в ее верхней части, при этом первая по ходу пара секция соединена трубой для подвода жидкости к предыдущему по ходу пара контактному устройству, причем труба располагается внутри корпуса аппарата и в сепарационном пространстве установлен жалюзийный каплеуловитель.
Расположение насадки между поперечными перегородками позволяет получить рабочий объем контактного устройства в виде пористого слоя, перекрывающего большую часть поперечного сечения аппарата и имеющего толщину, определяемую в зависимости от заданного расхода парожидкостного потока. Такая конструкция рабочего объема контактного устройства позволяет путем изменения геометрических размеров пористого слоя подобрать такие их значения по высоте и толщине слоя, при которых для заданной производительности аппарата обеспечиваются необходимые для осуществления массообменного процесса гидродинамические показатели дисперсного потока при приемлемых значениях коэффициентов использования объема аппарата, что существенно расширяет рабочий диапазон аппарата по производительности.
Отсутствие в предлагаемом контактном устройстве сепарации дисперсного потока ввиду полного исключения действия центробежных сил и реализация, плоскопараллельного фильтрационного течения исключает поперечную неравномерность по массовой скорости и времени пребывания жидкой фазы в парожидкостном фильтрационном потоке, что позволяет повысить эффективность массообменного процесса, а мелкомасштабная локальная неравномерность, всегда существующая в пределах характерного линейного размера пористой матрицы, будет только способствовать интенсификации массообменного процесса.
Выполнение контактного устройства в виде канала, образованного плоскими поперечными перегородками и боковыми стенками, упрощает конструкцию, делая ее более простой в изготовлении.
Размещение труб для подвода жидкости к контактным устройствам внутри корпуса аппарата позволяет использовать для этой цели прямолинейные трубы без отводов, что снижает гидравлическое сопротивление аппарата и, кроме того, позволяет более эффективно использовать объем аппарата и значительно сократить количество внешних сварных швов, снизив тем самым затраты на выполнение ответственных сварных швов и повысить надежность конструкции аппарата.
Установка жалюзийного каплеуловителя в сепарационном пространстве позволяет увеличить эффективность отделения пара от жидкости, уменьшив тем самым продольное перемешивание в аппарате, что повышает его коэффициент полезного действия, снижая тем самым число необходимых ступеней контактирования. Кроме того, установка жалюзийного каплеуловителя позволяет уменьшить объем сепарационного пространства, увеличив тем самым показатели эффективности использования общего объема аппарата, и создать дополнительную поверхность контакта фаз в виде стекающей по жалюзийным пластинам пленки уловленной жидкости.
На фиг.1 представлен общий вид горизонтального массообменного аппарата предлагаемой конструкции, на фиг.2 - его поперечное сечение, на фиг.3 показано поперечное сечение контактного устройства, на фиг.4 показано направление потоков пара и жидкости в контактном устройстве и сепараторе.
Горизонтальный массообменный аппарат состоит из набора ступеней контактирования, каждая из которых включает контактное устройство 1 и сепаратор 2, образующих цилиндрический корпус 3, в сепараторе располагается жалюзийный каплеуловитель 4. Количество контактных устройств и сепараторов в составе аппарата определяется требуемой степенью разделения исходной гомогенной смеси. Контактное устройство представляет собой канал, образованный двумя поперечными перегородками 5 и 6 с сегментными отверстиями, одна из которых 5 обращена сегментным отверстием вниз, а другая 6 - сегментным отверстием вверх. Боковые стороны канала в пределах сегментных отверстий ограничены плоскими вертикальными стенками 8, и канал заполнен высокопроницаемой насадкой 9. Сепарационное пространство разделено на две секции дополнительной перегородкой 10 с сегментным отверстием в ее верхней части, при этом первая по ходу пара секция соединяется трубой 11 со следующим в направлении течения жидкости контактным устройством.
Горизонтальный массообменный аппарат работает следующим образом. В пространство контактного устройства, находящееся под насадкой 9, по трубе 11 поступает жидкость из последующей по ходу пара ступени контактирования, заполняя нижнюю часть контактного устройства, а из сепаратора 2 предыдущей по ходу пара ступени контактирования поступает освобожденный от капель жидкости пар. Пар вытесняет жидкость в область, заполненную высокопроницаемой насадкой 9, и поступает в насадку вместе с жидкостью, создавая в слое насадки восходящее фильтрационное течение парожидкостного потока в режиме эмульгирования. В фильтрационном парожидкостном потоке будет происходить интенсивное диспергирование жидкой фазы, приводящее к увеличению поверхности контакта фаз и ее интенсивному обновлению, что позволяет значительно увеличить интенсивность массообменного процесса. В условиях плоскопараллельного фильтрационного течения парожидкостного потока исключается поперечная неравномерность массообменного процесса в контактном устройстве и режимом его работы становится режим идеального вытеснения, реализуемый в широком диапазоне изменения нагрузки контактного аппарата по пару и жидкости.
После выхода парожидкостного потока из контактного устройства 1 в сепаратор 2 жидкость, выделенная из пара под действием силы тяжести и уловленная жалюзийным каплеуловителем 4, попадает в первую по ходу пара секцию сепаратора 2, из которой по трубе 11 перетекает в нижнюю часть контактного устройства 1 предыдущей по ходу пара. ступени контактирования, обеспечивая тем самым противоточное движение пара и жидкости в пределах массообменного аппарата, а освобожденный от капель жидкости пар поступает в следующую ступень контактирования. Возможность работы контактного устройства в режиме идеального вытеснения, и более полное удаление в сепараторе каплеуловителем из парового потока капель жидкости уменьшает в массообменном аппарате продольное перемешивание, повышая тем самым эффективность его работы.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими техническими решениями обеспечивает:
- более высокую эффективность массообменного процесса вследствие более высоких значений коэффициента массопередачи и поверхности контакта фаз в фильтрационном потоке парожидкостной смеси; при работе аппарата;
- более высокий к.п.д. ступени контактирования в результате устранения поперечной неравномерности по массовой скорости и времени пребывания жидкой фазы и снижения влияния обратного перемешивания;
- большую производительность вследствие расширения диапазона работы аппарата по расходу парожидкостного потока;
- упрощение конструкции аппарата;
- снижение затрат на изготовление аппарата.