RU2050912C1

RU2050912C1 - Mass-exchanging column

Info

Publication number: RU2050912C1
Authority: RU
Inventors: Иван Петрович Слободяник
Original assignee: Иван Петрович Слободяник
Priority date: 1992-08-17
Filing date: 1992-08-17
Publication date: 1995-12-27

Abstract

FIELD: chemical production. SUBSTANCE: mass-exchanging column includes vertical apparatus of round cross-section with perforated grids installed in decks inside the apparatus. Beds are placed on the grids. The perforated grids are inclined at acute angle to horizon alternatively to diametrically opposite directions. Grid perforations are punched in the form of arched notches with convexity upward. Axes of the notches are directed towards the grid slope. The perforated grids are installed onto thrust elliptic slit rings. Thrust plates are attached to the ends of the rings. Thrust screw is attached to one such plate. The screw passes free through the hole of the other plate. Nuts are screwed on the thrust screw on its both sides. The nut between the thrust plates is screwed up to the stop of the plate, the thrust elliptic ring is pressed down closely to internal walls of the column. Axis of the thrust screw of the thrust elliptic ring is displaced inwards the circle of the thrust ring and downwards about the surface of the thrust ring. EFFECT: effective mass exchange.

Description

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ(пар)-жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. The invention relates to designs of packed-type mass transfer columns for gas (steam) -liquid systems intended for processes of absorption, rectification, gas flushing, and can find application in chemical, petrochemical, gas and other industries.

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающие распределительные решетки, слой насадки на каждой распределительной решетке, устройство для перераспределения жидкости под промежуточными решетками [1]
Недостатком этой массообменной колонны является невысокая эффективность массообмена из-за неравномерности распределения жидкости по поперечному сечению слоя насадки в колонне в зависимости от диаметра колонны и особенно в колоннах больших диаметров.Known mass transfer column, comprising a vertical cylindrical body, supporting distribution grilles, a layer of nozzle on each distribution grill, a device for redistributing liquid under the intermediate grilles [1]
The disadvantage of this mass transfer column is the low mass transfer efficiency due to the uneven distribution of the liquid over the cross section of the packing layer in the column depending on the diameter of the column and especially in large diameter columns.

Наиболее близкой к изобретению является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка [2]
Недостатком такой массообменной колонны при взаимодействии больших объемов газа (пара) и малых объемов жидкости является неравномерное распределение жидкости по поперечному сечению колонны на различной высоте слоя насадки над распределительной решеткой и проваливание жидкости по всему сечению решетки, в результате чего эффективность массообмена слоя насадки на решетке равна локальной эффективности массообмена, что, как известно, является минимальной возможной эффективностью массообмена.Closest to the invention is a mass transfer column comprising a vertical apparatus of circular cross section, inside of which perforated gratings are mounted in layers, on which the nozzle is located [2]
The disadvantage of such a mass transfer column in the interaction of large volumes of gas (steam) and small volumes of liquid is the uneven distribution of the liquid over the column cross-section at different heights of the nozzle layer above the distribution grid and the dip of the liquid over the entire cross-section of the grid, as a result of which the mass transfer efficiency of the nozzle layer on the grid is local mass transfer efficiency, which, as you know, is the minimum possible mass transfer efficiency.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена при взаимодействии между большими объемами газа (пара) и малыми объемами жидкости за счет организованного направленного движения жидкости в слое насадки на решетке по модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости так, чтобы слив жидкости через перфорации решеток происходил сосредоточенно локально, а не рассредоточенно по всему сечению решетки. The purpose of the invention is to increase the efficiency of mass transfer during the interaction between large volumes of gas (steam) and small volumes of liquid due to the organized directional movement of the liquid in the nozzle layer on the grate according to the model of ideal displacement in the horizontal plane so that the liquid is drained through the perforations of the gratings locally rather than dispersed over the entire cross-section of the lattice.

Для этого в массообменной колонне, включающей вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка, перфорированные решетки установлены наклонно под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона решеток, перфорированные решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концам которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплен упорный винт, проходящий свободно в отверстие другой пластины, по обе стороны которой на упорный винт навинчены гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину и распорное эллиптическое кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны, ось упорного винта распорного эллиптического кольца смещена внутрь окружности распорного кольца и вниз относительно плоскости распорного кольца. To do this, in a mass transfer column, including a vertical circular apparatus, inside which perforated gratings are mounted on a belt, on which the nozzle is located, the perforated gratings are mounted obliquely at an acute angle to the horizontal, alternately diametrically opposite sides, the perforations of the gratings are made in the form of arched slots convex upward with axes directed towards the inclination of the gratings, perforated gratings are mounted on spacer elliptical split rings, to the ends of which at thrust plates are fastened, one of which has a thrust screw attached that extends freely into the hole of the other plate, on both sides of which nuts are screwed onto the thrust screw so that the nut between the thrust plates is screwed into the plate until it stops and the spacer elliptical ring is firmly pressed against the inner walls of the column , the axis of the thrust screw of the spacer elliptical ring is offset inward to the circumference of the spacer ring and downward relative to the plane of the spacer ring.

На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез массообменной колонны; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 5 разрез Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 разрез Д-Д на фиг. 5; на фиг. 7 разрез Е-Е на фиг. 5. In FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a mass transfer column; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 section BB in FIG. 2; in FIG. 4, section BB in FIG. 2; in FIG. 5 section GG in FIG. 1; in FIG. 6 is a section DD in FIG. 5; in FIG. 7 a section EE in FIG. 5.

Массообменная колонна (фиг. 1-7) содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с поярусно установленными по высоте перфорироваными решетками 2, наклоненными под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток 2 выполнены в виде арочных прорезей 3 с осями, направленными в сторону наклона решеток 2, решетки 2 опираются на распорные эллиптические разрезные кольца 4, к концам которых прикреплены упорные пластины 5 и 6, к одной (пластине 5) из которых прикреплен упорный винт 7, проходящий свободно в отверстие другой пластины 6, по обе стороны которой на упорный винт 7 навинчены гайки 8 и 9 так, что гайка 8 между упорными пластинами навинчена до упора в пластину 6 и распорное эллиптическое кольцо 4 плотно прижато к внутренним стенкам колонны, в результате чего кольцо 4 может принимать опорные нагрузки решетки 2 со слоем насадки. Ось упорного винта 7 распорного эллиптического кольца 4 смещена внутрь окружности распорного кольца 4 и вниз относительно плоскости распорного кольца 4. На каждую перфорированную решетку 2 засыпан слой насадки 10. При использовании эллиптических распорных колец в качестве опор для решеток 2 не потребуются какие-либо крепежные элементы на внутренних стенках колонны, что значительно упрощает конструкцию колонны, а также монтаж решеток и засыпку слоя насадки 10 на решетки 2. The mass-transfer column (Fig. 1-7) contains a vertical cylindrical body 1 with perforated gratings 2, tiered horizontally mounted in height, tilted at an acute angle to the horizontal, alternately diametrically opposite sides, the perforations of the gratings 2 are made in the form of arched slots 3 with axes directed to the side the inclination of the gratings 2, the gratings 2 are based on spacer elliptical split rings 4, to the ends of which the thrust plates 5 and 6 are attached, to one (plate 5) of which the thrust screw 7 is attached, passing freely in from the other plate 6, on both sides of which the nuts 8 and 9 are screwed onto the stop screw 7 so that the nut 8 between the stop plates is screwed completely into the plate 6 and the spacer elliptical ring 4 is firmly pressed against the inner walls of the column, as a result of which the ring 4 can take the supporting load of the lattice 2 with a layer of nozzle. The axis of the thrust screw 7 of the spacer elliptical ring 4 is shifted inwardly around the circumference of the spacer ring 4 and downward relative to the plane of the spacer ring 4. A layer of nozzle 10 is sprinkled on each perforated grill 2. When using elliptical spacer rings as supports for the grilles 2, no fasteners are required on the inner walls of the column, which greatly simplifies the design of the column, as well as the installation of gratings and filling the layer of the nozzle 10 on the grating 2.

Массообменная колонна работает следующим образом. Mass transfer column operates as follows.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны (фиг. 1-7) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 решеток 2 и слой насадки 10, контактируя с жидкостью, находящейся на решетке 2 со слоем насадки, причем жидкость поступает на приподнятую часть самой верхней решетки 2 со слоем насадки 10 и стекает в диаметральном направлении в сторону уклона решетки 2, откуда через арочные прорези 3 решетки 2 стекает на слой насадки 10 в самой приподнятой части нижерасположенной решетки 2 и т.д. Жидкость движется в слое насадки 10 на решетке 2 под действием сил тяжести и наклона решетки 2, а также под действием потока струй газа (пара), выходящих из арочных прорезей 3 решетки 2, направленных в сторону наклона решетки, при этом при прохождении газа (пара) через арочные прорези 3 жидкость не может через эти прорези сливаться с решетки 2, в результате под действием всех сил жидкость движется только в направлении наклона решетки 2 по модели, близкой к модели идеального вытеснения в плоскости, параллельной плоскости решетки, или в горизонтальной плоскости, так как острый угол наклона решеток к горизонтали невелик. В самой нижней части решетки 2 у стенки колонны происходит накопление жидкости и образование гидростатического слоя жидкости, которая проникает через арочные прорези 3 и сливается у стенки колонны на слой насадки 10 приподнятой части нижерасположенной решетки 2 и т.д. Естественно, что при накоплении жидкости на нижней части решетки 2 газ (пар) не может пройти через арочные прорези 3 со слоем жидкости, так как при этом следует преодолеть газу (пару) гидростатический слой жидкости, который отсутствует в остальной части решетки 2, куда и направляется газ (пар) согласно закону сопротивления. В результате происходит упорядоченное распределение потоков газа (пара) и жидкости в слоях насадки 10 на наклонных решетках 2, причем газ (пар) движется через слой насадки на решетках 2 по модели идеального вытеснения, а жидкость движется попеременно в диаметрально противоположных направлениях на смежных решетках 2 по модели, близкой к модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости, при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки 10 на решетке 2, при этом, как известно, достигается максимальная эффективность массобмена контактной ступени. Gas (steam) enters the casing 1 of the column (Fig. 1-7) from the bottom and moves upward, passes through the arched slots 3 of the grating 2 and the layer of the nozzle 10, in contact with the liquid located on the grate 2 with the layer of the nozzle, and the liquid flows to the raised part of the uppermost lattice 2 with the nozzle layer 10 and flows in the diametrical direction toward the slope of the lattice 2, from where it flows through the arched slots 3 of the lattice 2 onto the layer of the nozzle 10 in the most elevated part of the lower lattice 2, etc. The fluid moves in the nozzle layer 10 on the grate 2 under the action of gravity and tilt of the grate 2, as well as under the action of a stream of gas jets (steam) coming out of the arched slots 3 of the grate 2, directed towards the tilt of the grate, while passing gas (steam ) through the arched slots 3, the liquid cannot merge through these slots from the grating 2, as a result, under the action of all forces, the liquid moves only in the direction of inclination of the grating 2 according to a model close to the model of ideal displacement in a plane parallel to the plane of the grating, or horizontally plane, since the acute angle of inclination of the gratings to the horizontal is small. In the lowermost part of the grating 2, liquid accumulation and the formation of a hydrostatic liquid layer occurs at the column wall, which penetrates through the arched slots 3 and merges at the column wall onto the packing layer 10 of the raised part of the lower lattice 2, etc. Naturally, with the accumulation of liquid on the lower part of the grating 2, gas (steam) cannot pass through the arched slots 3 with a layer of liquid, since the hydrostatic layer of liquid that is absent in the rest of the grating 2, where and gas (steam) is directed according to the law of resistance. As a result, there is an ordered distribution of gas (vapor) and liquid flows in the nozzle layers 10 on the inclined gratings 2, and the gas (steam) moves through the nozzle layer on the gratings 2 according to the ideal displacement model, and the liquid moves alternately in diametrically opposite directions on adjacent gratings 2 according to a model close to the model of ideal displacement in the horizontal plane, with complete mixing of the liquid along the height of the nozzle layer 10 on the lattice 2, while, as you know, the maximum mass transfer efficiency is achieved Comp act stage.

Поскольку предлагаемая колонна предназначена для взаимодействия больших объемов газа (пара) и малых объемов жидкости, то сечения арочных прорезей 3 в нижней части решетки 2 достаточно для регулярного слива всей жидкости с решетки 2, так как в колоннах с провальными решетками (тарелками) жидкость и газ (пар) проходят через одни и те же отверстия и при больших нагрузках по жидкости и газу (пару). Since the proposed column is designed for the interaction of large volumes of gas (steam) and small volumes of liquid, the cross section of the arched slots 3 in the lower part of the grate 2 is sufficient for regular drainage of all liquid from grate 2, since in columns with failure gratings (plates) liquid and gas (steam) pass through the same holes and at high loads of liquid and gas (steam).

Наряду с повышением эффективности массообмена предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом обеспечивается также увеличение производительности по газу (пару) и жидкости за счет наличия сепарационного пространства над слоями насадки 10 на решетках, в результате чего скорость газа (пара) в полном сечении может быть выше, чем в обычной насадочной колонне в условиях эмульгирования при сопоставимых условиях, что во всех случаях без исключения подтверждено экспериментально. Along with increasing the efficiency of mass transfer of the proposed mass transfer columns in comparison with the prototype, an increase in gas (steam) and liquid productivity is also provided due to the presence of separation space above the nozzle layers 10 on the gratings, as a result of which the gas (steam) velocity in the full cross section can be higher than in a conventional packed column under conditions of emulsification under comparable conditions, which in all cases, without exception, was confirmed experimentally.

Технические преимущества предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие увеличения движущей силы процесса при перекрестном движении газа (пара) и жидкости и при отсутствии существенного продольного перемешивания жидкости в диаметральном направлении, а также в увеличении производительности колонны и стабильности режима работы при высоких скоростях газа (пара) за счет наличия сепарационного пространства над слоями насадки на решетках. Кроме того, повышается четкость разделения колонны и, следовательно, чистота и качество продуктов разделения, уменьшается необходимое флегмовое число для разделения смесей ректификацией, что выражается в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной). The technical advantages of the proposed mass transfer columns in comparison with the prototype are to increase the efficiency of mass transfer between gas (vapor) and liquid due to an increase in the driving force of the process with the cross movement of gas (steam) and liquid and in the absence of significant longitudinal mixing of the liquid in the diametric direction, as well as in increase the performance of the column and the stability of the operating mode at high speeds of gas (steam) due to the presence of separation space above the layers of the nozzle on shtetkami. In addition, the clarity of the separation of the column is increased and, therefore, the purity and quality of the separation products is reduced, the required reflux ratio for the separation of mixtures by distillation is reduced, which is reflected in a decrease in heat consumption (heating water vapor from the boiler room).

Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и соответствующего уменьшения расхода водяного пара из котельной, возможным в результате более высокой эффективности массообмена колонны. The economic effect of the implementation of the invention in comparison with the prototype can be achieved by reducing the reflux ratio and a corresponding reduction in the consumption of water vapor from the boiler room, which is possible as a result of higher mass transfer efficiency of the column.

Экономическую выгоду предлагаемого изобретения можно проиллюстрировать на примере разделения эталонной смеси бензол-толуол при условии повышения эффективности разделения предлагаемой колонны на 10% по сравнению с прототипом. The economic benefit of the invention can be illustrated by the example of separation of the reference mixture of benzene-toluene, provided that the separation efficiency of the proposed columns is increased by 10% compared with the prototype.

Согласно выполненного расчета расхода греющего водяного пара в кипятильнике давлением 0,32 МПа составляет 2460 кг/ч для непрерывной ректификации 15000 кг/ч исходной смеси бензол-толуол при атмосферном давлении, при концентрациях исходной смеси 45, дистиллята 96 и кубового остатка 1,2 мас. количество необходимых теоретических тарелок равно 14 при рабочем флегмовом отношении R_n 2,49, минимальное флегмовое отношение равно R_min 1,247. Повышение эффективности массообмена колонны на 10% соответствует увеличенному числу теоретических тарелок, равному 15,4. Такая эффективность при заданных тех же концентрациях целевых продуктов обеспечивается при меньшем отношении, равном R₃ 2,2.According to the calculation of the flow rate of heating water vapor in a boiler with a pressure of 0.32 MPa, it is 2460 kg / h for continuous distillation of 15,000 kg / h of the initial mixture of benzene-toluene at atmospheric pressure, at concentrations of the initial mixture of 45, distillate 96 and bottoms of 1.2 wt. . the number of necessary theoretical plates is 14 with a working reflux ratio R _{n of} 2.49, the minimum reflux ratio is R _min 1,247. An increase in the mass transfer efficiency of the column by 10% corresponds to an increased number of theoretical plates equal to 15.4. Such efficiency at given the same concentrations of the target products is provided at a lower ratio equal to R ₃ 2.2.

Уменьшение количества греющего пара определяется по модифидицированному уравнению теплового баланса для двух рассмотренных вариантов
D_λп=

4300,
D_λз=

4140, где D

, D

количество водяного пара, расходуемое при флегмовых числах R_n и R₃ соответственно, т.е. для прототипа и предлагаемого объекта, кг/ч;
G_d количество отбираемого дистиллята, кг/ч;
r

скрытая теплота конденсации водяного пара, Дж/кг;
r_d скрытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг. Экономия водяного пара на одной колонне составляет ΔD

D

= 4300- 4140 160 кг/ч.The decrease in the amount of heating steam is determined by the modified heat balance equation for the two options considered
D _λп =

4300,
D _λз =

4140, where D

, D

the amount of water vapor consumed at reflux numbers R _n and R _3, respectively, i.e. for the prototype and the proposed facility, kg / h;
G _{d the} amount of distillate taken, kg / h;
r

latent heat of condensation of water vapor, J / kg;
r _d latent heat of evaporation of the distillate, J / kg Saving water vapor per column is ΔD

D

= 4300 - 4140 160 kg / h.

Для реализации предлагаемой колонны в настоящее время в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры ТОПП изготовлены опытные колонны с решетками диаметром 300, 400, 600 и 800 мм для проведения широких исследований гидродинамики и массопередачи в условиях десорбции аммиака из воды в воздух в широких пределах нагрузок по газу и жидкости. To implement the proposed column, experimental columns with gratings of 300, 400, 600 and 800 mm in diameter have been manufactured at the laboratory of processes and apparatuses of chemical technology of the TOPP department for conducting extensive studies of hydrodynamics and mass transfer under conditions of ammonia desorption from water to air over a wide range of loads gas and liquids.

Claims

МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА, включающая вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка, отличающаяся тем, что перфорированные решетки установлены наклонно под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона решеток, перфорированные решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концам которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплен упорный винт, проходящий свободно в отверстие другой пластины, по обе стороны которой на упорный винт навинчены гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину и распорное эллиптическое кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны, ось упорного винта распорного эллиптического кольца смещена внутрь окружности распорного кольца и вниз относительно плоскости распорного кольца. MASS-EXCHANGE COLUMN, including a vertical apparatus of circular cross-section, inside which perforated gratings are belly mounted, on which nozzle layers are located, characterized in that the perforated gratings are mounted obliquely at an acute angle to the horizontal, alternately in diametrically opposite sides, the perforations of the gratings are made in the form of arched slots with convexity upward with axes directed towards the inclination of the gratings, perforated gratings are mounted on spacer elliptical split rings, to the ends to Thrust plates are attached, one of which has a thrust screw attached, which extends freely into the hole of the other plate, on both sides of which nuts are screwed onto the thrust screw so that the nut between the thrust plates is screwed completely into the plate and the spacer elliptical ring is firmly pressed against the inner walls columns, the axis of the thrust screw of the spacer elliptical ring is shifted into the circumference of the spacer ring and downward relative to the plane of the spacer ring.