RU2165283C2 - Mass-transfer apparatus - Google Patents

Abstract

FIELD: equipment of mass-transfer processes such as rectification, absorption, vapor condensation, cooling of vapor-gas mixtures, etc; applicable in chemical, oil refining and allied industries. SUBSTANCE: outlets of branch pipes of gas supply mounted from atop and/or from sides of body are deepened directly below level of woven contact device to undergrid space. In this case, height H from upper level of woven contact device to end of body lower part amounts inequality given in the invention description. EFFECT: simplified design, higher operation potentialities with more efficient functioning of apparatus. 3 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратурному оформлению тепломассобменных процессов, таких как ректификация, абсорбция, конденсация пара, охлаждение парогазовых смесей и др., и может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей и родственных отраслях промышленности. The invention relates to hardware design of heat and mass transfer processes, such as rectification, absorption, steam condensation, cooling of gas-vapor mixtures, etc., and can be used in chemical, oil refining and related industries.

В последнее десятилетие широкое применение в промышленности находят массообменные аппараты, в которых для формирования поверхности контакта фаз в системе газ-жидкость в качестве контактного устройства (газораспределительной решетки) используют синтетические тканые материалы [1,2] или тарелки из тканых полимерных структур [3,4]. In the last decade, mass transfer devices have been widely used in industry, in which synthetic woven materials [1,2] or plates made of woven polymer structures [3,4] are used as a contact device (gas distribution grid) to form a phase contact surface in a gas-liquid system. ].

Теоретические исследования гидродинамики и массообмена газожидкостного слоя на тканых контактных устройствах (ТКУ), подтверждающие их преимущества по сравнению с традиционными, изложены в литературе [5]. Theoretical studies of the hydrodynamics and mass transfer of the gas-liquid layer on woven contact devices (TCU), confirming their advantages over traditional ones, are described in the literature [5].

Наиболее близким по технической сущности и достаточному эффекту является массообменый аппарат [6], который содержит вертикальный корпус, газораспределительное контактное устройство в виде решетки, патрубки для подачи и ввода газа, сборник жидкости, размещенный в нижней части корпуса, при этом выход патрубка подачи газа заглублен непосредственно ниже контактного устройства в подрешеточное пространство. The closest in technical essence and sufficient effect is a mass transfer apparatus [6], which contains a vertical housing, a gas distribution contact device in the form of a grill, nozzles for supplying and introducing gas, a fluid collector located in the lower part of the housing, while the outlet of the gas supply nozzle is deepened directly below the contact device into the sublattice space.

В указанном аналоге газ подается по патрубку внутрь корпуса под решетку, отжимает жидкость вниз, выдавливает часть жидкости в полость под решеткой, образуя под решеткой газожидкостную "подушку". Далее газ пересекает решетку, дробится на множество мелких пузырьков и барботирует через толщу жидкости, находящейся над решеткой. In this analogue, gas is supplied through a pipe inside the housing under the grate, squeezes the liquid down, squeezes part of the liquid into the cavity under the grate, forming a gas-liquid “pillow” under the grate. Then the gas crosses the lattice, crushed into many small bubbles and sparges through the thickness of the liquid above the lattice.

К недостаткам этой конструкции аппарата, принятой в качестве прототипа, следует отнести следующие:
- распределение газа по всей площади решетки неравномерно, особенно при низкой скорости газа;
- сложность использования этой конструкции в качестве аппарата погружного типа и невозможность его использования без днища.The disadvantages of this design of the device, adopted as a prototype, include the following:
- gas distribution over the entire lattice area is uneven, especially at a low gas velocity;
- the complexity of using this design as a submersible type apparatus and the inability to use it without a bottom.

При использовании указанной в прототипе решетки при скорости газа в аппарате до ≈ 3 м/с не будет осуществляться выдавливание слоя жидкости в надрешеточное пространство по всей периферии аппарата. Вследствие наклона решетки газ будет барботировать только около распределителя газа (поз. 4, фиг. 1 прототипа). When using the lattice specified in the prototype, when the gas velocity in the apparatus is up to ≈ 3 m / s, the liquid layer will not be extruded into the superlattice along the entire periphery of the apparatus. Due to the inclination of the grate, gas will sparge only near the gas distributor (item 4, FIG. 1 of the prototype).

В связи с этим целями изобретения являются упрощение конструкции, повышение эксплуатационных возможностей при более эффективном функционировании аппарата. In this regard, the objectives of the invention are to simplify the design, increase operational capabilities with a more efficient functioning of the apparatus.

Эти цели достигаются тем, что газораспределительное контактное устройство, выполненное в виде тканой сетки, размещено на высоте H до конца нижней части корпуса аппарата с днищем или без него и составляет не менее
H≥2·4σ/(d_экв ρg), м
где 2 - коэффициент, учитывающий амплитуду пульсаций газожидкостного слоя;
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;
d_экв - диаметр эквивалентный тканой сетки контактного устройства, м;
ρ - плотность жидкости, кг/м³;
g - ускорение свободного падения, м/с².These goals are achieved by the fact that the gas distribution contact device, made in the form of a woven mesh, is placed at a height H to the end of the lower part of the apparatus with or without a bottom and is at least
H≥2 · 4σ / (d _equiv ρg), m
where 2 is a coefficient taking into account the amplitude of the pulsations of the gas-liquid layer;
σ is the coefficient of surface tension of the liquid, N / m;
d _eq is the equivalent diameter of the woven mesh of the contact device, m;
ρ is the density of the liquid, kg / m ³ ;
g - acceleration of gravity, m / s ² .

На фиг. 1 схематично изображен вертикальный разрез предлагаемого аппарата погружного типа без днища с верхним центральным вводом; на фиг. 2 - то же, с верхним боковым вводом; на фиг. 3 - вертикальный разрез аппарата с днищем и боковыми вводами газа. In FIG. 1 schematically shows a vertical section of the proposed apparatus of a submersible type without a bottom with an upper central input; in FIG. 2 - the same with the upper side entry; in FIG. 3 is a vertical section of the apparatus with a bottom and side gas inlets.

Массообменный аппарат состоит из корпуса 1, внутри которого горизонтально по сечению корпуса 1 размещено ТКУ 2. При большом диаметре корпуса может быть использована секционная конструкция ТКУ. Входной патрубок или патрубки подачи газа 3 смонтированы сверху с центральным (фиг. 1) или верхним боковым (фиг. 2) вводом подачи газа. На фиг. 3 показаны боковые вводы входных патрубков 3 в корпус аппарата и их выходы 4 внутри корпуса 1. Выходы патрубков 4 подачи газа заглублены непосредственно ниже уровня ТКУ 2 в подсеточное пространство 5. Выходной патрубок отвода газа 7 смонтирован в верxней части корпуса 1. Жидкость 6 заполняет нижнюю часть корпуса аппарата 1 погружного типа (фиг. 1 и 2) и не нуждается в монтаже патрубков 9 и 10 подачи жидкости и ее слива, как это показано на фиг. 3 для аппарата, корпус которого снабжен днищем 8. The mass-transfer apparatus consists of a housing 1, inside of which a TKU 2 is placed horizontally along the cross-section of the housing 1. With a large diameter of the housing, a TKU sectional design can be used. The inlet pipe or gas supply pipes 3 are mounted on top with a central (Fig. 1) or upper lateral (Fig. 2) gas supply inlet. In FIG. 3 shows the lateral inlets of the inlet pipes 3 into the apparatus body and their exits 4 inside the housing 1. The outlets of the gas supply pipes 4 are buried directly below the TKU 2 level in the subgrid space 5. The gas outlet pipe 7 is mounted in the upper part of the housing 1. The liquid 6 fills the lower part of the casing of the apparatus 1 is of a submersible type (Figs. 1 and 2) and does not need to be fitted with nozzles 9 and 10 for supplying liquid and draining it, as shown in FIG. 3 for an apparatus whose case is provided with a bottom 8.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны уровни жидкости 6 соответственно первоначального заполнения h_зап и в рабочем состоянии при ее вытеснении газом h_в (т. е. высота газовой подушки под ТКУ), а также высота H от верхнего уровня ТКУ до конца нижней части корпуса 1.In FIG. 1, 2 and 3 show the liquid levels 6, respectively, of the initial filling h _zap and in working condition when it is displaced by gas h _in (i.e., the height of the gas cushion under the TCU), as well as the height H from the upper level of the TCU to the end of the lower part of the housing 1 .

Высота H является одной из основных конструктивных характеристик аппарата, что обеспечивает его эффективную работу в погруженном состоянии без пропускания газа вниз для аппарата без днища и оптимальный режим работы аппаратов с днищем. The height H is one of the main structural characteristics of the apparatus, which ensures its efficient operation when immersed without passing gas downward for the apparatus without a bottom and the optimal mode of operation of the apparatus with a bottom.

Все указанные на фиг. 1, 2, 3 и 4 конструктивные типы массообменных аппаратов полностью соответствуют формуле изобретения. All indicated in FIG. 1, 2, 3 and 4 design types of mass transfer apparatus fully comply with the claims.

Аппарат работает следующим образом. До подачи газа в аппарат (фиг. 1 и 2) его погружают в жидкость 6 на глубину первоначального заполнения h_зап (фиг. 1 и 2) выше уровня ТКУ 2 до условия его смачивания. Запуск аппарата осуществляют подачей газа через выходы патрубков 4 непосредственно ниже уровня ТКУ 2 в подсеточное пространство 5 либо с верхним, либо с боковым входом патрубков 3 в корпус 1. При подаче газа непосредственно под ТКУ 2 барботажа газа не происходит до достижения его давления равным
ΔP_общ= ΔP_ст+ΔP_σ(Па) (1)
где ΔP_ст - давление столба жидкости в газожидкостном слое под ТКУ, (Па);
ΔP_ст= ρgh,(Па);
ΔP_σ - давление, обусловленное силами поверхностного натяжения, (Па);
ΔP_σ= 4σ/d_экв,(Пa).The device operates as follows. Prior to supplying gas to the apparatus (Figs. 1 and 2), it is immersed in liquid 6 to the initial filling depth h _app (Figs. 1 and 2) above the level of TCU 2 until it is wetted. The apparatus is started by supplying gas through the exits of the nozzles 4 directly below the level of the TCU 2 to the subgrid space 5 with either the top or side entrance of the nozzles 3 into the housing 1. When gas is supplied directly under the TCU 2, gas bubbling does not occur until its pressure equal to
ΔP _total = ΔP _st + ΔP _σ (Pa) (1)
where ΔP _article - the pressure of the liquid column in the gas-liquid layer under the TCU, (Pa);
ΔP _st = ρgh, (Pa);
ΔP _σ is the pressure due to surface tension forces (Pa);
ΔP _σ = 4σ / d _equiv , (Pa).

При этом происходит выдавливание слоя жидкости из подсеточного пространства 5 ТКУ 2 на высоту
h_в= 4σ/(d_эквρg),м (2)
и ее переток в подсеточное пространство ТКУ 2. Образовавшаяся под ТКУ газовая подушка служит одновременно с ТКУ газораспределительным устройством. Причем согласно условиям барботажа газа на ТКУ в автомодельном клапанном режиме давление газа по периферии подсеточного пространства одинаково. Сброшенная вследствие частичного провала в подсеточное пространство 5 жидкость 6 в постоянном режиме возвращается в барботажный слой по условию (h_в) (2).When this occurs, the extrusion of the liquid layer from the subgrid space 5 TCU 2 to a height
h _in = 4σ / (d _equiv ρg), m (2)
and its flow into the subgrid space of TKU 2. The gas cushion formed under the TKU serves simultaneously with the TKU gas distribution device. Moreover, according to the conditions of gas bubbling on the TCU in a self-similar valve mode, the gas pressure at the periphery of the subgrid space is the same. Discarded as a result of a partial failure in the subgrid space 5, the liquid 6 in a constant mode returns to the bubble layer according to the condition (h _in ) (2).

Повышение давления в пространстве под ТКУ до условия больше ΔP_общ (1) приводит к барботажу газа через жидкость, созданию газожидкостного слоя с частичным ее провалом, вызванным пульсациями слоя. Обработанный таким образом газ отводится через выходной патрубок 7 (фиг. 1,3) либо непосредственно в атмосферу (фиг. 2). Жидкость отводится в большой объем (фиг. 1, 2) или в сборник (фиг. 3).The increase in pressure in the space under the TCU to a condition greater than ΔP _total (1) leads to gas bubbling through the liquid, the creation of a gas-liquid layer with its partial failure caused by layer pulsations. The gas thus treated is discharged through the outlet pipe 7 (Fig. 1.3) or directly into the atmosphere (Fig. 2). The liquid is discharged into a large volume (Fig. 1, 2) or into the collection (Fig. 3).

Предлагаемый массообменный аппарат отличается не только выбором высоты от уровня контактного устройства до нижней части корпуса с днищем или без него, т.е. минимального по высоте сборника жидкости, но и возможностью создания под решеткой не газожидкостной, а газовой "подушки". The proposed mass transfer apparatus differs not only in the choice of height from the level of the contact device to the lower part of the housing with or without a bottom, i.e. the minimum height of the liquid collector, but also the possibility of creating under the grate not a gas-liquid, but a gas "pillow".

Эти отличительные особенности были получены благодаря выполнению решетки контактного устройства в виде тканой сетки, расположенной горизонтально и выполненной из металлических или полимерных нитей определенного диаметра и плотности плетения, которая характеризуется эквивалентным диаметром d_экв. ее пространственных отверстий. В зависимости от плотности плетения (расстояния между нитями основы и утка) получают тканую сетку с различным d_экв. и свободным сечением, т.е. отношением площади отверстий к площади тканой сетки.These distinctive features were obtained due to the design of the lattice of the contact device in the form of a woven mesh located horizontally and made of metal or polymer fibers of a certain diameter and weaving density, which is characterized by an equivalent diameter d _eq. its spatial openings. Depending on the density of weaving (the distance between the warp and weft) get a woven mesh with different d _EQ. and free section, i.e. the ratio of the area of the holes to the area of the woven mesh.

Конструкция тканой сетки контактного устройства, при котором d_экв. находится в пределах от 0,3 до 1 мм, проявляет новое свойство, которое обеспечивает капиллярный эффект, т.е. удержание жидкости в отверстиях тканой сетки без "провала".The design of the woven mesh of the contact device, in which d _eq. is in the range from 0.3 to 1 mm, exhibits a new property that provides a capillary effect, i.e. fluid retention in the holes of the woven mesh without "failure".

Массообменный аппарат в предложенном виде обладает особой способностью проводить процессы массообмена в эффективном гидродинамическом режиме и при малых скоростях газа (от 0 до 3 м/с) для систем газ-жидкость, имеющих сопротивление процессу поглощения компонентов со стороны газовой фазы, т.е. систем с низким содержанием поглощаемого компонента, когда требуется достаточно большое время контактирования фаз. The mass-transfer apparatus in the proposed form has a special ability to carry out mass transfer processes in an effective hydrodynamic mode and at low gas velocities (from 0 to 3 m / s) for gas-liquid systems that are resistant to the absorption of components from the gas phase, i.e. systems with a low content of the absorbed component, when a sufficiently large contact time of the phases is required.

Преимущества предлагаемого аппарата и его вариантов следующие. The advantages of the proposed device and its options are as follows.

Снижается металлоемкость за счет уменьшения объема пространства под контактным устройством, в том числе за счет исключения днища в аппаратах погружного типа, и упрощается их конструкция. The metal consumption is reduced by reducing the amount of space under the contact device, including by eliminating the bottom in submersible devices, and their design is simplified.

Расширяется область применения и эксплуатационные возможности в варианте аппарата погружного типа. The scope and operational capabilities of the submersible type apparatus are expanding.

Появляется возможность многократного пуска аппарата без предварительной подачи жидкости, что дополнительно делает его более эффективным для использования в качестве устройства для обезвреживания выбросов вредных веществ. There is the possibility of multiple start-up of the apparatus without first supplying liquid, which additionally makes it more effective for use as a device for neutralizing emissions of harmful substances.

Предлагаемый аппарат прошел проверку на гидродинамических стендах ГОСНИИ "МЕТАНОЛПРОЕКТА", г. Северодонецк. The proposed device has been tested at the hydrodynamic stands of the STATE "METANOLPROEKT", Severodonetsk.

Источники информации
1. Борисенко М.М., Серов А.В., Терещенко Л.Я. О механизме формирования поверхности контакта фаз в системе газ-жидкость на горизонтальных контактных устройствах из синтетических тканых материалов. Материалы Всесоюзной конференции "Химреактор-II", часть III, Алушта, 1992 г., с. 542-545.Sources of information
1. Borisenko M.M., Serov A.V., Tereshchenko L.Ya. On the mechanism of formation of the phase contact surface in the gas-liquid system on horizontal contact devices made of synthetic woven materials. Materials of the All-Union Conference "Chemical Reactor II", part III, Alushta, 1992, p. 542-545.

2. Серов А.В., Борисенко М.М. Режимы взаимодействия газа и жидкости на контактных устройствах из тканых синтетических материалов.- Химические волокна, 1993, N 1, с. 41-46. 2. Serov A.V., Borisenko M.M. Modes of interaction of gas and liquid on contact devices from woven synthetic materials. - Chemical fibers, 1993, N 1, p. 41-46.

3. Серов А. В., Терещенко Л.Я., Борисенко М.М. Закономерности формирования газожидкостного слоя на тарелках из тканых полимерных структур.- Химическая промышленность, 1992, N 8, с. 45-49. 3. Serov A. V., Tereshchenko L.Ya., Borisenko M. M. Patterns of formation of a gas-liquid layer on plates of woven polymer structures. Chemical Industry, 1992, N 8, p. 45-49.

4. Авторское свидетельство СССР N 1274704, кл. B 01 D 3/22, 1986 г. 4. Copyright certificate of the USSR N 1274704, cl. B 01 D 3/22, 1986

5. Борисенко М. М. Гидродинамика и массообмен газожидкостного слоя на тканых контактных устройствах, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербург, 1993 г. 5. Borisenko M. M. Hydrodynamics and mass transfer of the gas-liquid layer on woven contact devices, Abstract of dissertation for the degree of candidate of technical sciences, St. Petersburg, 1993

6. Патент SU N 1837942 A3, кл. B 01 D 47/02, 1993. 6. Patent SU N 1 837 942 A3, cl. B 01 D 47/02, 1993.

Claims (1)

Массообменный аппарат, содержащий вертикальный корпус, газораспределительное контактное устройство в виде решетки, патрубки для подачи и вывода газа, сборник жидкости, размещенный в нижней части корпуса, при этом выход патрубка подачи газа заглублен непосредственно ниже контактного устройства в подрешеточное пространство, отличающийся тем, что газораспределительное контактное устройство, выполненное в виде тканой сетки, размещено на высоте H до конца нижней части корпуса аппарата с днищем или без него и составляет не менее

где 2 - коэффициент, учитывающий амплитуду пульсаций газожидкостного слоя;
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;
d_экв - диаметр эквивалентный тканой сетки контактного устройства, м;
ρ - плотность жидкости, кг/м³;
g - ускорение свободного падения, м/с².A mass transfer apparatus comprising a vertical casing, a gas distribution contact device in the form of a grill, gas supply and outlet pipes, a liquid collector located in the lower part of the body, wherein the gas supply pipe exit is buried directly below the contact device in the sublattice, characterized in that the gas distribution a contact device made in the form of a woven mesh is placed at a height H to the end of the lower part of the apparatus body with or without a bottom and is at least

where 2 is a coefficient taking into account the amplitude of the pulsations of the gas-liquid layer;
σ is the coefficient of surface tension of the liquid, N / m;
d _eq is the equivalent diameter of the woven mesh of the contact device, m;
ρ is the density of the liquid, kg / m ³ ;
g - acceleration of gravity, m / s ² .

Images