Колонна концентрирования и денитрации кислот
COLUMN FOR ACID CONCENTRATION AND DENITRATION

Изобретение относится к аппаратам, применяемым для концентрирования и денитрации растворов кислот, и может быть использовано в различных областях химической промышленности, в частности в процессе концентрирования и денитрации отработанных серноазотных кислотных смесей в производствах нитратов целлюлозы и взрывчатых веществ.
В настоящее время для концентрирования и денитрации кислот наибольшее распространение получили колонны барботажного типа конструкции Варваричева, ГБХ и В.А. Степанова (Гиндич В.И. «Технология пироксилиновых порохов. Том 1. Производство нитратов целлюлозы и регенерация кислотю» изд. «ЦНИИНТИ», М., 1984. С. 408-413). Колонна Варваричева имеет на тарелке семь барботажных колпачков, колонна ГБХ и В.А. Степанова - один большой барботажный колпак.
Недостатками колонн барботажного типа являются низкая производительность из-за низкой эффективности тепломассообмена, интенсивного брызгоуноса, увеличения гидравлического сопротивления и захлебывания колонны при увеличении расходов газовой и жидкой фаз.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является сруйно-центробежная колонна, включающая крышку с патрубком выхода газа и днище с патрубками входа пара, выхода кислоты, составной корпус из царг, причем каждая царга выполнена с горловиной, на верхней части которой расположены лотки для слива жидкости со ступени на нижележащую ступень (см. учебное пособие Халитов Р.А. «Технология и оборудование процесса денитрации отработанных кислот производства нитратов целлюлозы», Казань, 2020 г. с. 56-58). На верхнем срезе горловины царги установлено кольцо, а на горловине царги установлено кольцо опорное, на котором собран осевой завихритель, состоящий из уложенных друг на друга лопаток и образующих между собой тангенциальные щели для выхода парогазового потока. Лопатки осевого завихрителя закрыты прижимным кольцом, а в центре осевого завихрителя установлена приемная воронка. В этом устройстве взаимодействие газа и жидкости осуществляется в поступательно-вращательном вихревом движении.
Недостатком прототипа является низкая производительность колонны, связанная с неравномерной работой колонны, низкой эффективностью тепломассообмена, повышенным гидравлическим сопротивлением и провалом жидкости на нижележащую ступень. Это связано с тем, что при высоких расходах газовой и жидкой фаз имеет место сужение живого сечения для прохода газа в щелевом пространстве между лопатками завихрителя вследствие залипания жидкости с образованием «валика» жидкости, загромождающего вход для газовой фазы.
Технической проблемой является повышение производительности колонны концентрирования и денитрации кислот.
Техническая проблема решается колонной концентрирования и денитрации кислот, которая включает составной корпус из царг, причем каждая царга выполнена с горловиной, в верхней части которой расположены лотки для слива жидкости со ступени на нижележащую ступень, на горловине царги установлена тарелка с центральным отверстием и направленным вниз под углом к плоскости тарелки бортиком, на тарелке размещен завихритель с крышкой и тангенциально расположенными лопатками, причем крышка имеет центральную выемку, обтекатель, выполненный в виде тарелки воронкообразной формы с направленным вниз бортиком и с центральным патрубком, установлен на крышке завихрителя с зазором между патрубком и выемкой крышки, нижняя поверхность обтекателя снабжена тангенциально расположенными лопатками, а его бортик с внутренней стороны имеет винтовой выступ, направление закрутки которого противоположно направлению закрутки лопаток завихрителя и обтекателя.
Технический результат изобретения заключается в повышении производительности колонны за счет увеличения эффективности тепломассообмена, уменьшения гидравлического сопротивления и увеличения диапазона устойчивой работы колонны.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Расположение на горловине царги тарелки с центральным отверстием и направленным вниз бортиком позволяет создать гидрозатвор на царге для предотвращения прохождения парогазового потока вне зоны контакта фаз в связи, с чем возрастает пропускная способность по газовой и жидкой фазам, что приводит к увеличению производительности колонны.
На каждой царге создаются непрерывно обновляемые две зоны контакта газо-жидкостного потока: первая зона возникает в зазоре между лопатками завихрителя и бортиком обтекателя при нисходящем закрученном стесненном движении вращающегося газожидкостного потока между винтовыми выступами, а вторая зона образуется при ударе выходящего из первой зоны вращающегося газожидкостного потока о поверхность жидкости, находящейся в горловине царги и создания вращающегося жидкостного потока в горловине царги.
В прототипе энергия газового потока расходуется на раскрутку жидкости, находящейся на поверхности лопаток завихрителя, причем с увеличением расхода газа и жидкости возрастает толщина слоя вращающейся жидкости, что приводит к увеличению брызгоуноса жидкости и гидравлического сопротивления колонны. В предлагаемой конструкции колонны энергия газового потока расходуется на раскрутку жидкости движущейся в нисходящем потоке под действием силы тяжести. Дополнительную раскрутку жидкость получает за счет винтового выступа на бортике обтекателя. При этом увеличение расхода газа и жидкости, а соответственно и производительности колонны, не приводит к повышению гидравлического сопротивления и брызгоуноса.
Изготовление крышки завихрителя с центральной выемкой позволяет улучшить турбулизацию газо-жидкостного потока и снизить гидравлическое сопротивление за счет плавного обтекания поднимающимся из нижней ступени вращающимся газовым потоком центральной выемки крышки завихрителя.
Расположение обтекателя, имеющего воронкообразную форму с направленным вниз бортиком, позволяет всей стекающей с верхней ступени жидкости пройти зону контакта фаз на нижележащей ступени. Выполнение обтекателя с центральным патрубком, установленным с зазором в выемке крышки завихрителя позволяет обеспечить гидрозатвор для прохождения парогазового потока вне зоны контакта фаз и увеличить диапазон устойчивой работы колонны.
Наличие с внутренней стороны бортика обтекателя винтового выступа, направление закручивания которого противоположно направлению закручивания тангенциальных лопаток завихрителя, позволяет увеличить время контакта газовой и жидкой фаз, повысить удерживающую способность по жидкой фазе, обеспечить непрерывное и постоянное обновление поверхности контакта фаз между газовой фазой и жидкостью в стесненном потоке в зазоре между винтовым выступом обтекателя и лопатками завихрителя. В обтекателе с винтовым выступом интенсификация тепломассообмена обусловлена совместным действием двух факторов: турбулизацией и разрушением пристеночного слоя течения выступами, а также закруткой пристеночного потока под действием выступов.
Выполнение внутренней поверхности обтекателя с тангенциальными лопатками расположение которых совпадает с направлением лопаток завихрителя позволяет равномерно распределить жидкость, проходящую в зазоре между крышкой завихрителя и внутренней поверхностью обтекателя и поступающую далее в зону взаимодействия жидкости и парогазового потока. Это повышает эффективность тепломасообмена, снижает гидравлическое сопротивление и позволяет снизить энергозатраты на процесс, повышает диапазон устойчивой работы колонны при различных расходах газовой и жидкой фаз, что также повышает производительность колонны.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 представлена колонна концентрирования кислот предлагаемой конструкции,
на фиг.2 - вырыв А на фиг. 1,
на фиг. 3 - вырыв Б на фиг. 2,
на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 2,
на фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 1.
На фиг. 2-3 пунктирными стрелками показано направление движения газовой фазы, а сплошными - направление движения жидкой фазы.
Колонна концентрирования кислот содержит (фиг. 1) составной корпус 1 из царг 2, выполненных с горловиной 3 и расположенными в верхней части горловины 3 переливными лотками 4 для слива жидкости со ступени на нижележащую ступень, крышку 5 и днище 6. На корпусе 1 расположены патрубок 7 входа отработанной кислотной смеси (ОКС) и патрубок 8 входа крепкой серной кислоты. На крышке 5 расположен патрубок для выхода газа 9. Днище 6 имеет патрубок 10 для входа пара и патрубок 11 выхода серной кислоты из колонны.
На горловине 3 царги 2 (фиг. 2) установлена тарелка 12, с центральным отверстием 13 и направленным вниз под углом к плоскости тарелки бортиком 14. На тарелке 12 установлен завихритель 15 с крышкой 16, имеющей центральную выемку 17, завихритель 15 снабжен тангенциально расположенными лопатками 18. На крышке 16 завихрителя 15 установлен обтекатель 19, выполненный в виде тарелки воронкообразной формы с направленным вниз бортиком 20 и центральным патрубком 21. На нижней стороне обтекателя 19 тангенциально расположены лопатки 22. Обтекатель 19 установлен таким образом, что между патрубком 21 обтекателя 19 и выемкой 17 крышки 16 образуется зазор.
С внутренней стороны бортик 20 обтекателя 19 имеет спиральный выступ 23 (фиг. 3). При этом направление закручивания спирального выступа 23 противоположно направлению закручивания тангенциальных лопаток 18 завихрителя 15 и тангенциальных лопаток 22 обтекателя 19 (фиг. 4-5).
Работу колонны денитрации рассмотрим на примере денитрации отработанной кислотной смеси производства нитратов целлюлозы с получением продукционной 98% азотной кислоты. В качестве водоотнимающего вещества использована 92% серная кислота.
Через патрубок 7 в колонну подают отработанную кислотную смесь, через патрубок 8-92% серную кислоту. В днище по патрубку 10 подают перегретый водяной пар с температурой 150÷200°С. Абсолютное давление перегретого пара на входе в колонну составляет 2,7 ат. Водяной пар из днища колонны 6 поднимается вверх, нагревает на царгах 2 кислотную смесь, в результате азотная кислота испаряется, поднимается вместе с паром вверх и поступает на вышележащую тарелку, а серная кислота стекает через лотки 4 на нижележащие тарелки.
При работе колонны денитрации газо-жидкостной поток проходит последовательно две зоны контакта. В первой зоне в зазоре между лопатками завихрителя 15 и бортиком 20 имеющем винтовой выступ 23 в стесненном режиме происходит раскрутка выходящим между лопатками 18 завихрителя 15 вращающимся газовым потоком жидкости стекающей в нисходящем потоке между тангенциальных лопаток 22 обтекателя 21 в зазор.
Затем во второй зоне на выходе из зазора между завихрителем и бортиком обтекателя вращающийся газо-жидкостной поток при ударе о поверхность находящейся в горловине 3 царги 2 жидкости (смесь азотной и серной кислот), закручивает ее, что приводит к дополнительной турбулизации газожидкостного потока и повышению эффективности тепломассообмена. Отработанная кислотная смесь перетекает через лотки 4 из царги в царгу вниз по колонне и в виде 68%о серной кислоты выходит через патрубок 11 днища 6 колонны и далее поступает на стадию концентрирования. Пары концентрированной азотной кислоты через патрубок 9 крышки 5 поступают в холодильник-конденсатор.
Предлагаемая колонна концентрирования и денитрации кислот по сравнению с прототипом позволяет увеличить производительность за счет повышения эффективности тепломассообмена, снижения гидравлического сопротивления за счет движения вращающегося газожидкостного потока в нисходящем потоке и повышения диапазона устойчивой работы колонны за счет создания развитой, непрерывно обновляемой межфазной поверхности контакта между газом и жидкостью в широком диапазоне изменения нагрузок по газу и жидкости. Кроме того, время сборки предлагаемой колонны из-за малого количества деталей рабочей ступени колонны (4 шт.) существенно сокращается.