ВИХРЕВАЯ КОНТАКТНАЯ СТУПЕНЬ ДЛЯ КОНТАКТИРОВАНИЯ ГАЗА ИЛИ ПАРА С ЖИДКОСТЬЮ
VORTEX CONTACT STAGE FOR CONTACTING GAS OR VAPOR WITH FLUID

Изобретение относится к тепломассообменным устройствам для проведения процессов ректификации, абсорбции, экстракции в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известна тарелка для контактирования газа или пара с жидкостью [1], включающая горизонтальную перегородку, на которой укреплены корпус контактного устройства и стакан гидрозатвора. Верхняя часть корпуса контактного устройства выполнена с тангенциально направленными отверстиями и снабжена крышкой с пропущенной через нее паровой трубой, а нижняя часть корпуса оканчивается сливной трубой, опущенной в стакан гидрозатвора нижележащей горизонтальной перегородки.
Однако данная тарелка имеет низкую производительность по газу и жидкости, большие габариты и металлоемка, а наличие застойных зон на тарелке способствует быстрому накоплению отложений на поверхности горизонтальной перегородки при переработке промышленных смесей, образующих осадок.
Известна вихревая камера для проведения тепомассообменных процессов [2], содержащая корпус с коаксиально размещенным в нем цилиндрическим направляющим аппаратом, снабженным тангенциально размещенными прорезями, торцевые крышки, патрубки для подвода и отвода газовой и жидкой фаз. Верхняя торцевая крышка выполнена с центральным выходным отверстием и снабжена коаксиально установленной на ней кольцевой перегородкой, выходным патрубком с сепарационной прорезью и сливным стаканом.
Однако данное устройство обладает недостаточно высокой эффективностью и пропускной способностью по жидкости.
Низкая эффективность обусловлена недостаточно большой поверхностью контакта газа с жидкостью. Невысокая пропускная способность по жидкости обусловлена низкой производительностью выходного патрубка, по которому перемещение жидкости осуществляется силами трения на межфазной поверхности. В этой связи при большом расходе по жидкости происходит захлебывание вихревой камеры, то есть потеря ее работоспособности.
Известно контактное устройство для тепломассообменных аппаратов [3], включающее цилиндрический корпус, центральную переливную трубу, снабженную стаканом-гидрозатвором, вихревую тарелку, выполненную из листа, на которой радиально выполнены просечки с отогнутыми вверх и вниз краями с образованием наклонных однонаправленных каналов для прохода газа (пара) и придания двухфазной смеси на тарелке вращательного движения в одном направлении. Тарелка состоит из двух плотно прижатых друг к другу профилированных листов, на которых выполнены просечки в форме трапеции, сужающейся к центру, на основаниях которых на верхнем листе выполнены прорези, профилированные листы повернуты относительно друг друга на величину прорези, причем боковая кромка каждой просечки со стороны размещения прорезей верхнего листа пропущена под кромку трапеции нижнего листа, при этом центральная переливная труба снабжена устройством для отвода жидкости из вращающегося газожидкостного слоя в ее полость.
Указанное устройство также обладает низкой эффективностью и производительностью по жидкости.
Наиболее близкой по технической сущности является массообменная колонна [4], состоящая из вертикально установленного корпуса, по высоте которого в чередующемся порядке расположены тарелки. Верхние тарелки снабжены центральным переливным и внешним сливным стаканом, а нижние тарелки - внешним переливным стаканом и сливным патрубком, которые образуют гидрозатворы, причем на тарелках в радиальном направлении размещены профилированные пластины, ориентированные в плоскости тарелки, выполняющие функции устройства для закрутки потока пара (газа).
Однако и это устройство обладает низкой эффективностью и производительностью по жидкости.
Невысокая эффективность обусловлена низкой поверхностью контакта жидкости со струями пара (газа), выходящими из зазоров между пластинами. Низкая пропускная способность тарелок по жидкости обусловлена уносом жидкости на вышележащие тарелки при большой производительности. Унос обусловлен условиями ввода жидкости на тарелки, то есть жидкость набегает на потоки пара, что приводит к разбрызгиванию жидкости.
Изобретение решает задачу увеличения эффективности массообмена и производительности по жидкости.
Технический результат заключается в увеличении эффективности массообмена и производительности за счет устранения разбрызгивания жидкости при ее контакте с паром, а также создания дополнительной поверхности контакта фаз и равномерного распределения жидкости по периметру устройства для закрутки пара (газа) непосредственно при выходе жидкости и пара из этого устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в вихревой контактной ступени для контактирования газа или пара с жидкостью, включающей царгу, по высоте которой в чередующемся порядке расположены горизонтальные перегородки тарелок, верхние тарелки снабжены центральным переливным и внешним сливным стаканом, а нижние тарелки - внешним переливным стаканом и сливным патрубком, на горизонтальных перегородках тарелок размещены устройства для закрутки пара (газа), состоящие из тангенциально установленных профилированных пластин, закрытых верхней крышкой с контактным патрубком и нижней крышкой с образованием каналов для прохода пара (газа); новым является то, что концы хотя бы у двух рядом расположенных профилированных пластин со стороны входа пара (газа) соединены между собой заглушкой с образованием канала для прохода жидкости, на верхних крышках устройств для закрутки пара (газа) установлены цилиндрические вставки коаксиально с контактными патрубками, образующие полость для образования столба жидкости, причем на верхних крышках выполнено хотя бы одно отверстие, сообщающее канал для прохода жидкости с полостью для столба жидкости.
ш
В верхней части контактного патрубка установлена шайба, причем отношение внутреннего диаметра контактного патрубка к наружному диаметру шайбы равно d/d=1,2-3.
На цилиндрических вставках установлены устройства для перетекания жидкости.
На верхних крышках со стороны выхода пара (газа) установлены конические отбортовки, направленные вниз по ходу перемещения пара (газа).
Наличие заглушки хотя бы у двух рядом расположенных профилированных пластин со стороны входа пара (газа), образующих канал для прохода жидкости, установка на верхних крышках устройств для закрутки пара (газа), коаксиально с контактными патрубками цилиндрических вставок с образованием полости для образования столба жидкости, а также выполнение на верхних крышках отверстий, сообщающих канал для прохода жидкости с полостью для образования столба жидкости, позволяют увеличить эффективность вихревой контактной ступени и производительность по жидкости. При таком конструктивном выполнении жидкость, образующаяся в полости для образования столба жидкости, выдавливает жидкость через отверстия в крышках в каналы для прохода жидкости, а оттуда равномерно перемещает по периметру устройства для закрутки пара, обеспечивая высокую межфазную поверхность при контакте с потоками пара (газа), выходящими из каналов для прохода пара (газа). Это существенно увеличивает поверхность контакта выходящей жидкости с паром, а также устраняет унос жидкости, вследствие того что жидкость направлена в ту же сторону, что и пар, а следовательно, не разбрызгивается, а также тем, что жидкость не перекрывает проход для пара на тарелках и не приводит тем самым к захлебыванию контактной ступени и уносу. Все это позволяет увеличить эффективность массообмена на контактной ступени и производительность по жидкости.
ш
ш
ш
Наличие в верхней части контактного патрубка шайбы и выполнение отношения внутреннего диаметра контактного патрубка к наружному диаметру шайбы, равного d/d=1,2-3, позволяет удерживать максимальное (требуемое) количество жидкости во вращающемся газожидкостном слое на боковой поверхности контактного патрубка, что повышает эффективность ступени. Выполнение отношения d/d<1,2 не приводит к существенному увеличению удерживающей способности по жидкости. Выполнение отношения d/d>3 приводит к увеличению гидравлического сопротивления контактной ступени, что снижает производительность ступени по жидкости.
Установка на цилиндрических вставках устройств для перетекания жидкости из одной полости для жидкости в другую устраняет захлебывание ступени и обеспечивает равномерное распределение жидкости на тарелках, что приводит к увеличению эффективности массообмена.
Размещение на верхних крышках со стороны выхода пара (газа) конических отбортовок, направленных вниз по ходу перемещения пара (газа), способствует вовлечению всей энергии пара в процесс смешения с жидкостью, что интенсифицирует процесс массообмена.
На фиг.1 представлен общий вид вихревой контактной ступени;
на фиг.2 - схема перемещения потоков жидкости и газа на вихревой контактной ступени;
на фиг.3 - нижняя крышка устройства для закрутки пара (газа) с размещенными на ней профилированными пластинами;
на фиг.4 - разрез вихревой контактной ступени по сечению А-А;
на фиг.5 - разрез контактной ступени по сечению Б-Б;
на фиг.6 - контактная ступень с установленной в верхней части контактных патрубков шайбой;
на фиг.7 - схема потоков контактная ступень с установленной в верхней части контактных патрубков шайбой.
Вихревая контактная ступень для контактирования газа или пара с жидкостью включает царгу 1, по высоте которой в чередующемся порядке расположены горизонтальные перегородки 2 и 3, на которых размещены верхние тарелки 4 и нижние тарелки 5. Верхние тарелки 4 снабжены центральным переливным 6 и внешним сливным 7 стаканами, а нижние тарелки 5 - внешним переливным стаканом 8 и сливным патрубком 9. На горизонтальных перегородках размещены устройства для закрутки пара (газа) 10, состоящие из тангенциально установленных профилированных пластин 11. Концы хотя бы у двух рядом расположенных профилированных пластин 11 со стороны входа пара (газа) соединены между собой заглушкой 12. Профилированные пластины 11 закрыты верхними крышками 13, с размещенными на них контактными патрубками 14, и нижними крышками 15 с образованием чередующихся каналов для прохода жидкости 16 и открытых каналов 17 для прохода пара (газа).
На верхних крышках 13 установлены коаксиально с контактными патрубками 14 цилиндрические вставки 18, образующие полости 19 для образования столба жидкости, причем на верхних крышках 13 выполнено хотя бы одно отверстие 20, сообщающее канал для прохода жидкости 16 с полостью для жидкости 19. Верхние крышки 13 со стороны выхода пара снабжены коническими отбортовками 21.
На цилиндрических вставках 18 размещены переточные устройства 22 для отвода жидкости, выполненные, например, из швеллера.
ш
В верхней части контактных патрубков 14 установлены шайбы 23, причем отношение диаметра контактного патрубка 14 к диаметру шайбы 23, равно d/d=1,2-3.
Вихревая контактная ступень для контактирования газа или пара с жидкостью работает следующим образом. Пар (газ) и жидкость перемещаются по вихревой контактной ступени противотоком. Жидкость поступает через центральный переливной стакан 6 на полотно верхней тарелки 4 и затем сливается в полости для жидкости 19, образованные патрубками 14 и цилиндрическими вставки 18. Оттуда жидкость через отверстия 20 поступает в каналы для прохода жидкости 16 и на выходе из них вступает в контакт с потоками пара (газа), перемещающимися по каналам для прохода пара 17. После взаимодействия потоков жидкости, выходящих из полостей для жидкости 19, с потоком пара, выходящего из каналов 17, газожидкостная смесь приобретает вращательное движение и за счет центробежной силы прижимается к поверхности контактных патрубков 14 с образованием на них вращающегося газожидкостного слоя толщиной, равной ширине шайбы 23. При этом происходит интенсивный массообмен между паром (газом) и жидкостью. Жидкость с одного устройства для закрутки пара 10 в другое устройство 10 на тарелке поступает путем перетекания последовательно из одной полости для жидкости 19 в другую, а также за счет перетекания жидкости по переточным устройствам 22. При наличии конических отбортовок 21, установленных на верхних крышках 13, обеспечивается ускорение потока пара на выходе из устройства для закрутки пара 10, что способствует вовлечению всей энергии пара в процесс смешения с жидкостью и интенсифицирует процесс массообмена.
Использование заявляемой вихревой контактной ступени в колонном массообменном аппарате позволяет увеличить ее эффективность и производительность, что снижает капитальные и текущие затраты, а следовательно, и себестоимость выпускаемого продукта.
Источники информации
1. Тарелка для контактирования газа или пара с жидкостью. SU 190345, МПК B01J, B01D, опубл. 29.12.1966, Б.И. №2 от 11.2.1967.
2. SU 1816464, МКИ 5 B01D 3/30. Вихревая камера для проведения тепломассообменных процессов. С.А.Лаптев. А.А.Овчинников, Н.А.Николаев и др. Б.И. 1993, №19.
3. RU 2355457, МПК B01D 3/24, B01D 3/30. Контактное устройство для тепломассообменных аппаратов / Войнов Н.А., Паньков В.А., Кустов А.В.: заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет». - Заявка №2008111588./15 от 25.03.2008 - Опубл. 20.05.2009. Бюл. - №14, - стр.6.
4. Массообменная колонна. SU 439297, МПК B01D 3/30, опубл. 15.08.74, Б.И. №30 от 22.01.1975.