способ обработки газа жидкостью и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ обработки газа жидкостью, включающий контактирование газа и жидкости на поверхности вертикальных рабочих труб, подачу газа в нижнюю часть этих труб и подачу жидкости в верхнюю часть труб, отличающийся тем, что процесс ведут в три или более стадии, причем первую и последнюю по ходу газа стадии осуществляют в режиме устойчивого противотока, а средние, одну или несколько стадий, осуществляют в режиме захлебывания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость газа в первой и последней стадиях поддерживают в интервале W₁ = (0,01 - 0,3) W₀, где W₀ = 3,13(Д_ж/_г)^0,5 м/с, а скорость газа в средних стадиях поддерживается в интервале W_c = (0,3 - 0,8) W₀; Д - диаметр трубы в м, _ж и _г - плотность фаз.

3. Устройство для обработки газа жидкостью, включающее три или более вертикальных рабочих трубы, соединенных последовательно коническими переходами, нижний узел ввода газа и вывода жидкости, верхней узел вывода газа и ввода жидкости, отличающееся тем, что диаметр первой (нижней) трубы Д₁ и диаметр последней (верхней) трубы Д_п больше диаметра средней трубы (средних труб) Д_с в 1,1-3,0.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что конические переходы имеют угол при вершине в диапазоне 30 10^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области процессов и аппаратов химической технологии. Предлагаемый способ предназначен для осуществления таких процессов, как абсорбция, десорбция, охлаждение или нагревание газов при непосредственном контакте с жидкостями, насыщение их парами или конденсация паров из газовых смесей, проведение химических реакций, очистка газов от пыли и аэрозолей, дезодорация и т.д.

Известен способ обработки газа жидкостью в режиме инверсии фаз (в режиме захлебывания) /1,2/. Этот режим характеризуется высокой интенсивностью протекания процессов. Но в силу неустойчивости гидродинамического режима этот способ трудно поддается управлению. Его разрабатывают в основном применительно к аппаратам с нерегулярной насадкой /3/.

Известен также способ обработки газа жидкостью, при котором процесс ведут в три или более последовательных стадии, причем первую и последнюю стадии осуществляют в режиме устойчивого восходящего прямотока, а средние одну или несколько стадий осуществляют в режиме инверсии фаз /4/. В этом способе в целом по аппарату реализуется режим прямотока: выходящий газ контактирует с обработанной жидкостью. Для некоторых процессов такой режим взаимодействия нежелателен, так как он характеризуется пониженной движущей силой и по условиям равновесия неблагоприятен: он не обеспечивает глубокое извлечение компонента. От этих недостатков свободен противоточный режим взаимодействия.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ /5/, включающий контактирование газа и жидкости на поверхности вертикальных труб, подачу газа в нижнюю часть этих труб и подачу жидкости в верхнюю часть труб. Газ движется внутри труб снизу вверх навстречу стекающей по поверхности труб пленке. Таким образом осуществляется режим устойчивого противотока.

Недостатки этого способа состоят в том, что процесс осуществляется принципиально в одну стадию, т.е. при постоянных по высоте трубы скорости газа и плотности орошения. Противоток может осуществляться только при низких скоростях газа (1-3 м/с).

Поэтому нами поставлена задача создать такой способ обработки газа жидкостью, при котором высокая интенсивность протекания процессов тепломассообмена, свойственная режиму захлебывания, сочеталась бы с устойчивостью процесса в целом по аппарату и который обеспечил бы глубокое извлечение компонента и полное использование движущей силы процесса, свойственное противоточному характеру взаимодействия фаз.

Эта задача решена в способе обработки газа жидкостью, включающем контактирование газа и жидкости на поверхности вертикальных труб, подачу газа в нижнюю часть этих труб и подачу жидкости в верхнюю часть труб, тем, что процесс ведут в три или более последовательных стадий, причем первую и последнюю по ходу газа стадии осуществляют в режиме устойчивого противотока, а среднюю (одну или несколько стадий) осуществляют в режиме захлебывания. Способ осуществляют следующим образом. Газ подают в нижнюю часть вертикальной рабочей трубы, а выводят из ее верхней части. Жидкость сообразно противотоку подают в верхнюю часть рабочей трубы, а выводят снизу. Процесс ведут в три или более стадии, различающиеся скоростью газа. Первую и последнюю стадии проводят в режиме устойчивого противотока. А средние одну или несколько стадий осуществляют в режиме захлебывания.

Целесообразно скорость газа в первой и последней стадиях поддерживать в интервале w₁-=(0,01-0,3)w₀, где W₀ = 3,13(Д_ж/_г)^0,5м/с, а скорость газа в средних стадиях поддерживать в интервале w_с=(0,3-0,8)w₀, (Д - диаметр трубы в м, _ж и _г плотности фаз).

Сущность нового способа состоит в следующем.

Режим захлебывания в силу его неустойчивости очень чувствителен к условиям на входе и выходе трубы. Этот режим является переходным между противотоком и восходящим прямотоком.

Если труба работает в режиме противотока, то увеличение скорости газа выше некоторой величины приводит к торможению вытекающей снизу жидкости, она перекрывает сечение трубы и препятствует газовому потоку, газ выталкивает жидкость как поршень и выбрасывает ее из трубы в беспорядочной форме.

Если труба работает в режиме восходящего прямотока, то уменьшение скорости газа ниже некоторой величины приводит к падению пленки жидкости вниз, она перекрывает сечение трубы и препятствует газовому потоку.

Возможен и плавный переход от одного режима к другому в некотором диапазоне скоростей газа, относящемся к области захлебывания. При мягком регулировании удается работать при скорости газа, соответствующей области захлебывания, как угодно долго. Жидкость зависает на стенках трубы в виде пленки, на отдельных участках она совершает циркуляционные движения, частично переходит в брызги, которые уносятся газовым потоком. Верхний предел скорости захлебывания w=w₀ является нижним пределом устойчивых режимов восходящего прямотока. Это оптимальная скорость газа при восходящем прямотоке. В этом случае потеря давления имеет наименьшее значение. Гидродинамические характеристики пленочного течения (потеря давления, брызгоунос, провал, толщина пленки и др.) являются подобными, если за масштаб скорости газа принять w₀. Эта скорость может быть определена по соотношению W₀ = 3,13(Д_ж/_г)^1,2 . Здесь: Д - диаметр трубы в метрах; _жи _г плотности газа и жидкости. Противоточный режим реализуется при малых скоростях газа, составляющих менее 0,8w₀. Причем в области (0,3-0,8)w₀ режим является неустойчивым: скачки давления, брызгоунос, плохая воспроизводимость. Эту область следует относить к области захлебывания.

Эти особенности пленочных течений в вертикальной трубе установлены авторами в результате экспериментальных и теоретических исследований.

В первой стадии, то есть в нижней части аппарата, осуществляют устойчивый режим противотока, процесс ведут при скорости газа w₁=(0,01-0,3)w₀, где W_o = 3,13(Д_ж/_г)^1/2. При этом свежий газ контактирует с выходящей жидкостью и насыщает ее до максимально возможной степени (в случае абсорбции).

В средней стадии процесс ведут в режиме захлебывания, а именно в режиме зависания жидкости в виде неспокойной пленки на стенках трубы, точнее сказать - в режиме неустойчивого противотока. Скорость газа составляет w_с=(0,3-0,8)w₀. Средняя стадия питается жидкостью, стекающей сверху из вышерасположенной стадии. На отдельных участках жидкость циркулирует, движется то вниз, то вверх, частично в виде брызг перебрасывается газом в верхние зоны, но средний суммарный расход жидкости направлен вниз. После некоторого времени пребывания жидкости в средней стадии она покидает ее в виде успокаивающейся пленки через расширяющийся вниз конусный переход и поступает в нижерасположенную первую стадию. Средних стадий может быть несколько, если, например, по условиям теплового и(или) материального баланса процесс не удается организовать в одной средней стадии в диапазоне скоростей w_с=(0,3-0,8)w₀. В средней стадии осущест- вляется интенсивный тепломассообмен газа и жидкости и обеспечивается основной выход процесса.

В последней стадии, то есть в верхней части аппарата, так же, как и в нижней, осуществляют устойчивый режим противотока, то есть обеспечивают скорость газа w_п= (0,01-0,3)w₀. При этом газ контактирует со свежей жидкостью, что обеспечивает (в случае абсорбции) глубокое извлечение из газа распределяемого компонента. В общем случае скорости газа в первой стадии w₁ и в последней w_п могут быть неравны, находясь в рамках одного и того же диапазона (0,01-0,3)w₀. Спокойный режим противотока в этой стадии позволяет сепарировать брызги, уносимые газовым потоком из средней стадии.

При такой комбинации пленочных процессов основная роль в целевом процессе отводится средним стадиям, работающим в диапазоне скоростей, относящихся к области инверсии фаз, а именно к области неустойчивого противотока. Возможные скачкообразные изменения давлений и скоростей, характерные для захлебывания, гасятся устойчивыми гидродинамическими режимами на входе в среднюю зону и на выходе из нее. Таким образом, процесс протекает с большой интенсивностью вследствие гидродинамической неустойчивости в средней зоне и в то же время в целом по аппарату приобретает устойчивость как в гидродинамическом, так и в тепломассообменном отношении.

Необходимый скоростной режим в каждой стадии может быть обеспечен разными способами, к числу которых относятся байпасирование некоторой части общего газового потока, поддув инертного носителя, тепловое воздействие, учет изменения расходов фаз по ходу процесса и устройство аппарата.

Для осуществления способа разработано устройство для обработки газа жидкостью, так как известные ранее устройства не пригодны.

Так, например, известны аппараты для противоточного взаимодействия газа и жидкости в вертикальных трубах /5/. В этих аппаратах рабочие трубы имеют постоянный диаметр по всей высоте. Такие аппараты не пригодны для осуществления процессов в режиме захлебывания, так как при этом неустойчивом режиме возможны скачкообразные изменения давления. Тогда аппарат остается без жидкости, которая либо выбрасывается вверх, либо проваливается вниз. Процессы тепломассообмена прекращаются.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является аппарат /4/ для контактирования газа и жидкости, включающий три или более вертикальные рабочие трубы, соединенные последовательно коническими переходами, нижний узел ввода газа и жидкости, верхний узел вывода газа и жидкости. Диаметр первой (нижней) трубы и диаметр последней (верхней) трубы меньше, чем диаметры средних труб. Такой аппарат предназначен для осуществления режимов восходящего прямотока. В нем невозможно осуществить предлагаемый способ, который является принципиально противоточным.

Нами предложено устройство для обработки газа жидкостью, включающее три или более вертикальных рабочих труб, соединенных последовательно коническими переходами, нижний узел ввода газа и вывода жидкости, в котором диаметр первой (нижней) трубы Д₁ и диаметр последней (верхней) трубы Д_п больше диаметра средней трубы (средних труб) Д_с в 1,1-3,0 раза. Это устройство предназначено для обработки газа жидкостью в неустойчивых режимах (захлебывание), которые характеризуются наибольшей интенсивностью, и при этом обеспечивается режим устойчивого противотока по аппарату в целом, который характеризуется наилучшим использованием движущей силы процесса.

Это достигается тем, что рабочую часть выполняют в виде трех или более труб разного диаметра. Диаметры назначают таким образом, чтобы в первой и последней трубе осуществлялся режим устойчивого противотока, а в средней трубе или в нескольких средних трубах скорость газа находилась в области инверсии фаз (захлебывания) или в области неустойчивого противотока. Рабочие трубы соединены последовательно коническими переходами с углом при вершине 30-10^o.

Аппарат изображен на чертеже.

Он включает: штуцер выхода жидкости 1, штуцер входа газа 2, нижнюю камеру сбора жидкости 3, рабочую трубу первой ступени 4, конусный переход между первой и средней ступенями 5, рабочую трубу средней ступени 6, конусный переход между средней и последней ступенью 7, рабочую трубу последней ступени 8, штуцер вывода газа 9, верхнюю камеру 10, штуцер ввода жидкости 11.

Аппарат устроен, как показано на чертеже. Первая рабочая труба 4 имеет диаметр Д₁=40 мм и длину 200 мм, конусный переход 5 имеет высоту 23 мм (угол при вершине 30^o). Средняя рабочая труба 6 имеет диаметр Д_с= 28 мм и длину 1000 мм, конусный переход 7 имеет высоту 25 мм (угол при вершине 30^o). Последняя (верхняя) рабочая труба имеет диаметр Д_п=45 мм и длину 250 мм. Отношение диаметров: Д₁/Д_с=1,43; Д_п/Д_с=1,61.

Аппарат работает следующим образом.

Газ (воздух) подают при комнатных условиях через штуцер 2 в количестве 12 м³/ч. Жидкость (вода) поступает через штуцер 11 в количестве 51 л/ч. Процесс ведут в три стадии. В нижней трубе 4 осуществляется первая стадия обработки газа жидкостью. Газ и жидкость контактируют в режиме устойчивого противотока. Жидкость поступает из вышерасположенной средней стадии и течет вниз в виде спокойной пленки по внутренней поверхности трубы 4. Удельная плотность орошения в первой стадии g₁=1,13 см³(смс). Отработавшая жидкость стекает в виде струек через зазубренную кромку трубы 4 в нижнюю камеру 3 и покидает аппарат через штуцер 1. Газ движется со скоростью w₁=2,65 м/с. Оптимальная скорость газа в этих условиях составляет w₀₁= 3,13(0,041000/1,205)^1/2= 18,03 м/с. Отношение скоростей w₁/w₀₁=0,147.

В конусном переходе 5 течение пленки жидкости, поступающей сверху, замедляется и успокаивается. Течение газа вверх постепенно ускоряется.

В средней трубе 6 осуществляют вторую стадию процесса (основную стадию). Газ и жидкость контактируют в режиме подвисания или неустойчивого противотока. Жидкость покрывает внутреннюю поверхность трубы в виде неспокойной пленки, которая может пульсировать или состоять из отдельных ячеек с внутренней циркуляцией жидкости, может образовывать волны, с гребней которых срываются брызги, которые перебрасываются газовым потоком в вышерасположенные зоны. Жидкость в пленке может эпизодически менять направление движения: то вверх, то вниз. Газ движется со скоростью w_с=5,42 м/с. Оптимальная скорость газа в этих условиях составляет w_ос=15,1 м/с. Отношение скоростей w_с/w_ос= 0,36. Удельная плотность орошения в средней стадии равна q_с=1,61 см³(смс).

Из средней трубы 6 газ переходит в последнюю (верхнюю) трубу 8 через конусный переход 7. В переходе скорость газа плавно снижается. Движущаяся ему навстречу пленка жидкости постепенно ускоряется и ее течение становится неустойчивым.

В последней трубе 8 осуществляют третью стадию процесса. Газ и жидкость контактируют в режиме устойчивого противотока при условиях наименьшего бразго-уноса. Жидкость поступает в трубу 8 через ее зазубренные края из камеры 10 и распределяется по периметру в виде спокойной пленки. Газ движется со скоростью w_п= 2,1 м/с. Оптимальная скорость газа в этих условиях составляет w= 19,1 м/с. Отношение скоростей w_п/w"_оп=0,11. Брызги жидкости, содержащиеся в газе, поступающем из средней трубы 6, оседают в верхней трубе 8 вследствие снижения скорости газа. Остальная их часть сепарируется в камере 10. Газ выходит из аппарата через штуцер 9.

Конусные переходы обеспечивают плавное изменение скорости и предотвращают толчки давления, которые могут спровоцировать кризисы в средней рабочей трубе, работающей в режиме неустойчивого противотока. Угол при вершине 30^o10^o соответствует наименьшим потерям давления.

Соотношения диаметров рабочих труб обусловлены скоростным режимом способа обработки газа жидкостью согласно вышеописанному изобретению: Д₁/Д_с= 1,1-3,0 и Д_п/Д_с=1,1-3,0.

Таким образом, за счет признаков способа и признаков аппарата достигается эффективная обработка газа жидкостью в трубе в режиме неустойчивого противотока при соблюдении условий устойчивого противотока в аппарате в целом.

Источники информации.

1. Кафаров В.В., Бляхман Л.И., Плановский А.Н. Явление скачкообразного увеличения тепло- и массообмена между газовой и жидкой фазами в режиме инверсии фаз. Открытие 141 (СССР). Приоритет 06.06.49. Опубл. 21.03.74.

2. Сорокин Ю.Л., Кирдяшкин А.Г., Покусаев Б.Г. Исследование устойчивости пленочного течения жидкости в вертикальной трубе при восходящем движении газа. //Химическое и нефт. машиностроение. 1965. N5. С. 35-38.

3. Мемедляев З.Н., Кулов Н.Н., Москалик В.М. Гидродинамика и массообмен в орошаемой насадке при пульсирующей подаче жидкости. //Теор. основы хим. технол. 1994. Т. 28, N 5. С. 483-489.

4. Новожилов В. Н., Кутепов А.М., Соловьев А.В. Способ контактирования газа и жидкости и аппарат для его осуществления. Патент РФ N 2124939, кл. В 01 J 10/02. Приоритет 03.10.95. Опубл. 20.01.99. Бюл.N 2.

5. Рамм В.М. Абсорбция газов. М., Химия. 1976. 655 с. (с. 305,307).