МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА С ПЛАВАЮЩЕЙ НАСАДКОЙ

Предлагаемое техническое решение относится к массообменным аппаратам и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой и в других отраслях промышленности, а также в процессах очистки газов от примесей.
Известны конструкции абсорберов с псевдоожиженной насадкой, предназначенные для проведения процессов, в которых газ контактирует и взаимодействует с жидкостью, содержащие корпус с патрубками для ввода и вывода газа и жидкости, опорно-распределительные и ограничительную решетки, между которыми помещены слои подвижной насадки (А.Л. Заминян, В.М. Рамм "Абсорберы с псевдоожиженной насадкой", М.: Химия, 1980. С. 12-13).
Недостатком такого абсорбера является то, что элементы насадки шаровой формы одного размера и одинаковой массы совершают при соударении хаотические движения, которые недостаточны для интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз. Кроме того, таким абсорберам при малых скоростях газа свойственны явления пассивного выстраивания насадки вдоль стенок аппарата, а также возникновение циркуляционных потоков, когда насадка циркулирует внутри аппарата: в центральной части движется вверх, а у стенок вниз. Эти явления снижают эффективность работы абсорбера и производительность.
Известен абсорбер с псевдоожиженной насадкой, содержащий корпус с патрубками для ввода и вывода газа и жидкости, опорно-распределительные и ограничительную решетки, между которыми помещены два слоя подвижной насадки, причем элементы подвижной насадки выполнены отличающимися по массе и размеру и плотность материала выбирается из условия гидродинамического равновесия в потоке элементов различного размера (Описание изобретения к патенту РФ №2178333, B01D 47/14, B01D 53/18, 2002 г.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится возможность загрязнения насадки в процессе взаимодействия фаз, отсутствие перемешивания и турбулизации газовых и жидкостных потоков внутри насадки и, как следствие, несущественное повышение эффективности тепло- и массообменных процессов, что приводит к снижению производительности.
Известна секционная насадочная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого поярусно поочередно по высоте установлены перфорированные решетки, выполненные в виде конусов, ориентированных вершинами вверх, слой насадки (Описание изобретения к патенту РФ №2097095, B01D 3/22, 1997 г.).
Недостатком такой колонны является неравномерность распределения элементов насадки на поверхности конических решеток и отсутствие интенсивного перемешивания газовых и жидкостных потоков внутри насадки, что приводит к снижению производительности колонны.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и выбранному за прототип является конструкция массообменной колонны с плавающей насадкой, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные в нем поддерживающие распределительные конические решетки с прорезями, вертикальный стержень, закрепленный к вершинам конусов, при этом элементы насадки имеют шарообразной форму и выполнены из полимерных материалов с плотностью, близкой к плотности воды (Описание изобретения к патенту РФ №2102106, B01D 3/22, 1998 г.).
Недостатком такой массообменной колонны с плавающей насадкой является то, при больших расходах жидкой фазы по сравнению с расходом газа насадка будет прижиматься к поверхностям конических решеток, что приводит к ухудшению массообмена и, как следствие, к снижению производительности колонны.
Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменной колонны с плавающей насадкой является увеличение ее производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что массообменная колонна с плавающей насадкой для взаимодействия между газом и жидкостью, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные в нем поддерживающие распределительные конические решетки с прорезями, вертикальный стержень, закрепленный к вершинам конусов, насадку из пенополимерного материала, при этом конусы конических решеток ориентированны вершинами вверх, а элементы насадки выполнены в виде гофр.
Использование массообменной колонны с плавающей насадкой, элементы которой выполнены в виде гофр, приводит к интенсивной турбулизации газо-жидкостного потока за счет динамичного изменения поверхности насадки в процессе массопереноса. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит самоочищение гофрированных элементов насадки за счет вибрации поверхности гофр и, как следствие, повышение производительности колонны.
Гофрированные элементы насадки имеет значительный свободный объем и поверхность, их выполнение из пенополимерного материала позволяет проводить массообменный процесс в условиях псевдоожиженного слоя при высокотурбулизированном трехфазном потоке газ, жидкость, твердая фаза (плавающие элементы насадки) по всему объему между распределительными коническими решетками.
Выполнение элементов насадки из пенополимерного материала увеличивает их положительную плавучесть, предотвращает их прижимание к коническим решеткам при больших расходах жидкости по сравнению с расходом газа, обеспечивая создание взвешенного слоя насадки при высоких скоростях жидкости, движущейся вниз по колонне, что интенсифицирует тепло- массообменные процессы и увеличивает производительность.
Подвижные вибрирующие гофрированные стенки элементов насадки имеют высокую смачиваемую поверхность, сбивают границы раздела фаз и приводят к интенсификации массопереноса и теплообмена в процессе работы колонны, что повышает производительность.
Высокая скорость движения элементов насадки позволяет эффективно разбивать возникающие в псевдоожиженном слое газовые пузыри, включая застойные зоны, что способствует равномерности псевдоожиженного слоя, повышает эффективность работы массообменной колонны и производительность.
Ориентация конусов конических решеток вершинами вверх позволяет нивелировать возможность скапливания гофрированных элементов насадки у периферии конических решеток (у стенок колонны), обеспечивая тем самым равномерное распределение насадки в псевдоожиженном слое по всему сечению колонны, что способствует росту производительности.
На фиг. 1 представлена массообменная колонна (в продольном разрезе) с плавающей насадкой. На фиг. 2 изображен гофрированный элемент плавающей насадки (в продольном разрезе).
Массообменная колонна) содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, поддерживающие конические распределительные решетки 2 в виде конусов, ориентированных вершинами вверх, с перфорациями в виде арочных прорезей 3. Внутри отверстий конических решеток 2 установлен вертикальный стержень 4, закрепленный к вершинам решеток 2 точечной сварки, причем наружный диаметр стержня 4 меньше внутреннего диаметра отверстия у вершины конической решетки 2, между внутренними стенками отверстия у вершин конических решеток 2 и поверхностью стержня 4 образуются пространства для прохождения газа и жидкости. На каждой распределительной конической решетке 2 засыпан слой насадки 5. Под коническими решетками 2 расположена горизонтальная распределительная решетка 6, предотвращающая осаждение насадки в нижнюю часть колонны. Элементы насадки выполнены в виде гофр. Самые меньшие линейные размеры элементов насадки 5, засыпаемой на распределительные решетки 2, больше разности между внутренним диаметром корпуса 1 и наружным диаметром конической распределительной решетки 2. Слой насадки 5 засыпается на каждую распределительную решетку 2 последовательно снизу вверх при опускании каждой решетки 2 в колонну на высоту, равную не больше половины расстояния между смежными решетками 2 по высоте. Высота слоя насадки 5 на каждой конической распределительной решетке 2 равна не меньше половины расстояния между решетками 2 по высоте. Для подачи газа служит штуцер 7, для выхода газовой фазы - штуцер 8, Для подачи жидкости в колонну служит штуцер 9, установленный над распределительной решеткой 6, и штуцер 10 служит для отвода жидкости,
Массообменная колонна с плавающей насадкой работает следующим образом. Газ поступает в корпус колонны снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 распределительных решеток 2, контактируя при этом со стекающей сверху вниз жидкостью, сообщая ей часть кинетической энергии, в результате чего в слое насадки 5 на решетке 2 образуется высокотурбулизированный трехфазный слой, состоящий из газа, жидкости и насадки, плавающей в газо-жидкостном слое между двумя смежными по высоте решетками 2 нижней и верхней. В условиях высоких линейных скоростей газа за счет соударений газа и жидкости с гофрированными элементами плавающей насадки 5 образуется дополнительная высокоразвитая межфазная вибрирующая поверхность, на которой происходит конвективный массообмен между фазами, при этом твердая фаза в виде плавающих подвижных элементов насадки создают дополнительную турбулизацию фаз газ-жидкость, обеспечивая высокую эффективность массообменного процесса в насадочной колонне. При накоплении на решетке 2 жидкости последняя частично сливается через отверстие у конуса решетки 2 между стенками отверстия и стенками стержня 4, так как внутренний диаметр отверстия у конуса больше наружного диаметра стержня, частично сливаются через нижние арочные прорези 3 решетки 2, а также через край основания конической решетки 2 в пространстве между внутренними стенками корпуса 1 и наружными кромками конической решетки 2. Причем распределение слива жидкости с решетки 2 происходит неравномерно через различные отверстия к щели. При малых удельных нагрузках по газу и жидкости слив жидкости происходит преимущественно через нижние арочные прорези 3 и щели решеток 2, а газ проходит преимущественно через верхние прорези 3 и щели решеток 2, при этом эффективность массообмена будет значительно ниже, чем при высокотурбулентном режиме.
Таким образом, выполнение конструкции массообменной колонны с ориентацией конусов конических решеток вершинами вверх и плавающей насадкой, элементы которой изготовлены в виде гофр из пенополимерного материала, при высоких расходах жидкой фазы по сравнению с расходом газа обеспечивает псевдоожижение насадки малой плотности, непрерывную вибрацию поверхности гофр, на которых происходит тепло-массообменные процессы между газовой и жидкой фазами, и позволяет увеличить производительность колонны за счет интенсивного перемешивания газовой фазы с жидкостью в слое насадки в широком диапазоне колебаний этих расходов.