Масообмінний колонний апарат

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ/ РЕСПУБЛИК 1761172 А1 (51)5 В 01 D 3/18 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ LCCP К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 (21)4802629/26 (22) 14 02 90 (46) 15 09 92 Бюл N=34 (71) КЕІЄВСКИИ технологический институт пищевой промышленности (72) Ю А Зачц Р А Рыбаков Р Ю Майстер В М Таран и В А Анистратенко (56) Авторское свидетельство СССР № 194056 кл В 01 D 3/18,1966 Патент ЧССР № 103305 В 01 В 1984 Авторское свидетельство СССР !\fc 1074557 кл В 01 D 3/30 1983 (54) МАССООБМЕННЫЙ КОЛОННЫЙ АП ПАРА Г '57) Изобретение относится к конструкции мзссообменного колонного аппарата и может найти применение в спиртовой гидро лизно-спиртовой и химической промышленности Целью изобретения является повышение эффективности работы массообменного аппарата 39 счет усиления интенсивности межфазного взаимодействия и расширения диапазона устойчивой работы Массообменный аппарат содержит корпус 1 расположенные в нем S-образньіе контактные элементы 2 верхняя стенка 7 первого (по ходу движения жидкости) S-образного контактного элемента выполнена сплошной вогнутой с наклоном в сторону движения жидкости э вертикальные части поворотных стенок дополнительно снабжены прямоугольными вырезами (щелями) 12 кроме того карман для приема жидкости снабжен деаэратором выполненным в виде вогнутой к плоскости контактного устройства перфорированной пластины расположенной параллельно сливной перегород*е4 и прикрепленной к корпусу аппарата с возможностью вращения с вертикальной пло скости и образованием зазора с корпусом аппарата причем форма деаэоагора определяется заявленным выражением 6 ил Изобретение относится к спиртовой, гидролизно-спиртовои м химическом промышленности к отделениям ректификации Известно контактное устройство содержащее S образные контактные элементы верхняя плоскость которых снабжена устройствами для выхода газовой фазы сливчую іерегородк^ и карман для приема жидкости К недостаткам данного контактного устройства относится высокая степень продольного перемешивания вследствие отсутствия направленного движения жидкости по поверхности контактного устройства (КУ) Также известно КУ содержащее S-образные контактные элементы включающие поворотные передние стенки с гребнеобразными вырезами предназначенными для выхода газа сливную перегородку и карман для приема жидкости Однако при эксплуатации этого КУ не достигается активного перемеыивсжия фаз d Тйкже наблюдается нарушение гидродинамической структуры потоков из-за отсутствия горизонтальных потоков газовой фазы способствующих стабилизации работы КУ Известно контактное устройство включающее S-образные контактные элементы с 1761172 передними поворотными стенками, имеющими Г-образную форму и состоящими из вертикальной части с направленными прорезями для выхода газа и горизонтальной части с окном для прохода газа, расположенным со стороны оси вращения поворотной с т е н к и и в е р х н и м и с т е н к а м и , снабженными направленными, прорезями для выхода газа, сливную перегородку и карман для приема жидкости По технической сущности и достигаемому положительному эффекту данное КУ является наиболее близким к заявляемому устройству, поэтому оно выбрано в качестве прототипа. Данное КУ имеет ряд недостатков При работе указанного КУ набпюдается нарушение работы, особенно в режиме прямоточного взаимодействия фаз В режиме перекрестного взаимодействия фаз происходит провал жидкости через контактный элемент, расположенный возле кармана для приема жидкости, а е режиме прямоточного взаимодействия фаз происходит уплотнение газожидкостного слоя в зоне сливной перегородки, что приводит к рециркуляции жидкости, частичному уносу ее на вышележащее устройство и снижает производительность сливного устройства Целью данного изобретения является повышение эффективности работы массообменного аппарата за счет усиления интенсивности межфазного взаимодействия и расширения диапазона устойчивой работы КУ. Указанная цель достигается путем устранения провала жидкости в первом (по ходу жидкости) элементе контакта фаз за счет устранения на его горизонтальной части прорезей и выполнении ее вогнутой, деаэрирования жидкости в зоне сливного устройства за счет установки перфорированной пластины над сливным стаканом турбулизации газожидкостного потока за счет гидродинамического секционирования. Массообменный колонный аппарат, состоит из цилиндрического корпуса, в котором р а с п о л о ж е н ы о д и н над д р у г и м контактные устройства каждое из которых содержит S-образные контактные элементы с передними поворотными стенками, имеющими Г-образную форму и состоящими из вертикальной части с направленными прорезями для выхода газа и горизонтальной части, с окном для прохода газа, расположенным со стороны вращения поворотной стенки, и верхними стенками, снзбженными направленными прорезями для выхода газа, сливную перегородку и карман для приема жидкости. Согласно изобретению верхняя стенка первого (по ходу движения жидкости) S-образного контактного элемента выполнена сплошной с наклоном в сторону движения 5 жидкости, а вертикальные части поворотных стенок дополнительно снабжены прямоугольными вырезами (щелями), кроме того карман для приема жидкости снабжен деаэратором жидкости, выполненным в ви10 де вогнутой к плоскости контактного устройсгва перфорированной пластины, расположенной параллельно сливной перегородке и прикрепленной к корпусу аппарата с возможностью вращения в 15 вертикальной плоскости и образованием зазора с корпусом аппарата, причем форма деаэратора определяется выражением 20 25 30 35 40 45 ь f(x) = / tg[«(x)/2]dx о Рассматривая предлагаемое устройство поэлементно можно сделать вывод, что верхняя стенка первою S-образного элемента сделанная вогнутой и с наклоном в сторону движения жидкости и без перфорации - неизвестное техническое решение Вертикальные поворотные стенки S-образных элементов дополнительно снабженные прямоугольными вырезами - также неизвестное техническое решение, Применение деаэрирующих устройств в массообменных колонных аппаратах - известное техническое решение, однако в данной постановке задачи и в данном исполнении ранее не предлагалось, так же как и не учитывалась зависимость профиля кривизны деаэрирую щей пластины от режимных и конструктивных параметров колонны Объединение предлагаемых нами признаков в сочетании, с ранее известными позволяет поручить новый положительный эффект, заключающийся в повышении эффективности работы массообменного колонного аппарата за счет усиления интенсивности межфазного взаимодействуя и расширения диапазона устойчивой работы КУ Рассмотрим суть составляющих положительного эффекта элементов устройства 50 Эффективность массообмена в колонном аппарате зависит от целого ряда факторов особое место среди которых занимает фактор эффективного взаимодействия фаз на контактном устройстве Неравномерность 55 значения этого фактора по длине КУ обус ловлена конструктивными особенностями тарелок. Так различают три стадии организации эффективного режима взаимодействия фаз на К/ 1761172 создание направленного газожидкостного потока с высокой степенью аэрирования жидкости; обновление межфазной поверхности контакта фаз за счет турбулизации гззожид- 5 костного потока; разделение газожидкостного потока на фазы Vi деаэрация жидкости в зоне сливного устройства. Таким образом по гидродинамическим 10 характеристикам процесса КУ рассматривается нами как состоящее из трех зон. В первой зоне, расположенной вблизи переливного стакана, жидкость, попадая на тарелку, практически не аэрирована и 15 движется в горизонтальном направлении только за счет перепада столба жидкости в сливном стакане вышележащей тарелки уровнем жидкости на самой тарелке. Этот перепад незначителен и жидкость, 20 поступающую на первый ряд чешуи в горизонтальной части первого контактного элемента тарелки прототипа можно, в первом приближении, рассматривать как неподвижную. 25 В средней части тарелки в установившемся режиме прототип работает практически как чешуйчатое КУ, газожидкостная смесь уже разогнана, Энергия пара, выходящего через чешуи, расходуется только на 30 ускорение парожидкостного потока Энергия, передаваемая жидкости паром, во всех зонах тарелки одинаковая, но потребное ее количество разное. Так, если в первой зоне погок необходимо аэрировать, разогнать и 35 переместить в пространстве, то во второй зоне не требуется энергии на разгон жидкости, она попадает в эту зону, обладая некоторым моментом движения Таким образом легко объяснить тот провал жидкости, кото- 40 рый наблюдается у прототипа в 1 зоне возле переливного стакана. Он вызван тем, что в этой зоне недостает некоторой величины составляющей энергии, затрачиваемой на разгон жидкости. Для исключения провала 45 предлагается чешуи на первом элементе исключить и верхнюю горизонтальную пластину изготовить сплошной м вогнутой, причем касательная в точке сопряжения этой кривой с плоскостью тарелки должна совпадать 50 с плоскостью тарелки. Іакая кривая даст возможность приобрести жидкости некоторый момент движения за счет поднятия ее нз величину подъема порога этой кривой над полем тарелки Это сократит величину избыточной энергии пара, необходимой на 55 разгон жидкости. Криволинейность профиля ІЛ характер сопряжения с полем тарелки обусловлен необходимостью иметь только продольное перемещение жидкостного потока, без вертикальной его составляющей. Особенностью гидродинамической картины в средней зоне КУ является то, что в этой зоне массообменные характеристики КУ снижаются. Это происходит из-за плохой турбулизации газожидкостного потока вследствие его высокой скорости. К тому же разогнанный до высокой скорости газожидкостной поток уплотняется в зоне сливного стакана, это ведет к тому, что не происходит эффективной деаэрации его. К тому же это ведет и к снижению работоспособности сливного стакана вследствие гого, что деаэрация происходит непосредственно в нем и выделившийся газ (пар) стремится подниматься вверх, встречая на своем пути жидкость, стекающую вниз. На усиление турбулиззции газожидкостного потока, а также на его подтормаживание а средней зоне направлено изготовление в предлагаемой конструкции щелевидных прорезей в передней стенке поворотной перегородки, В образованную щель выходит газовая фаза в вертикальном направлении, подтормаживающая поток. Так на фиг. 4 представлены зависимости гидродинамических характеристик от скорости для чешуйчатой и чешуйчатой с прорезями тарелок (кривая 1 - чешуйчатые КУ с компенсацией прямотока1 D - 1,0 м, L =• = 0,00834 м /м2с; кривая 2 - чешуйчатые КУ: D = 1,0 м, L = 0,00834 м3/м2с; кривая 3 чешуйчатые КУ с компенсацией прямотока: D = 1,0 м, L = 0,00556 м 3 /м 2 с кривая 4 чешуйчатые КУ- D = 1 0 м, L = 0,00556 м /м'с). Кроме того, следует отметить что обширные научные исследования подтвердили целесообразность применения гидродинамического секционирования КУ, в частности путем обеспечения частного компенсирования прямоточного движения фаз режимом перекрестного их взаимодействия. На фиг. 5 представлены данные о влиянии на сопротивление газожидкостного потока коэффициента компенсации К, представляющего собой отношение сечений прямоточной и перекрестной зон для выхода газовой фазы (кривая 1. К = 0,39; кривая 2 К = 0,46, кривая 3: К = 0,55. кривая 4: К = 1,0) Работы, проводимые в области разработки и эксплуатации КУ с прямоточным взаимодействием фаз, свидетельствуюто гом, что "узким" местом, лимитирующим широкое применение этого типа КУ в промышленности, является неудовлетворительная работа таких КУ в зоне сливного устройства, в частности резкое уплотнение 1761172 7 газожидкостного потока с последующей рециркуляцией ею обратно на рабочую часть КУ. а также сильное аэрирование жидкости, приводящее к резкому повышению ее объема, часто намного превышающим сечение сливного устройства. В заявляемом КУэти проблемы решаются путем установки перфорированных пластин деаэраторов расположенных над сливным устройством Форма деаэратора определяется из условия, чтобы после столкновения газожидкостиого потока с ним, газ через перфорации уходил вверх, а жидкость получила бы вертикальное направление движения в сливной стакан. Поскольку направление движения жидкости после контакта с деаэратором полностью определяется углом, под которым поток "атакует" деаэратор (угол падения равен углу от ражения), то форма деаэратора должна учитывать условия гидродинамического взаимодействия фаз (фиг. 6). Пусть деаэратор имеет произвольную форму, описываемую функцией f(x). Тогда, если гаоожидкостный погок движется под углом а к плоскости КУ, можно определить направление, под которым будет перемещаться этот поток после контакта с деаэратором Для этого в точке контакта проводим касательную к кривой f(x). Причем угол наклона касательной ip определяется из условия: t g p = f (x). 5 10 15 20 25 30 (1) 35 Из фиг. 6 несложно получить зависимость между а и (р при условии, что жидкость после контакта с деаэратором приобретает вертикальную скорость в сечении сливного устройства, характеризуемого от- 40 резком от 0 до b = 0,5(77-0:1), і = . (2) Тогда из (1) и (2) можно определить форму деаэратора в виде = Jf(x)dx, 0