насадочная колонна

Формула изобретения

Насадочная колонна, содержащая цилиндрический корпус и насадку в виде многорядно размещенных в нем колец, отличающаяся тем, что боковая поверхность колец насадки изогнута по окружности с радиусом R=0,08-0,1 м, при этом кольца вертикально установлены со смещением в рядах выпуклой стороной к оси корпуса колонны таким образом, что верхний выступающий край каждого кольца нижнего ряда размещен внутри кольца верхнего ряда.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к насадочным массообменным аппаратам для систем "газ-жидкость" и может найти применение в химической, нефтехимической, нефте- и газоперерабатывающей промышленности, металлургическом и коксохимическом производстве, а также в промышленной экологии при очистке дымовых газов и вентиляционных выбросов.

Известна конструкция насадочной колонны, состоящей из корпуса с патрубками входа и выхода газа и жидкости, опорных решеток с уложенной на них насадкой в виде колец Рашига, колец с перегородками, колец Паля, седел Берля или "Инталлокс". Для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией устанавливают перераспределители жидкости для нейтрализации пристенного эффекта, когда жидкость движется у стенок колонны, а газ - по ее центру. (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971, издание восьмое, переработанное, стр.468-472).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерное распределение жидкости и газа по объему колонны, а также необходимость установки перераспределителей жидкости, что приводит к увеличению размеров колонны.

Известна конструкция насадочной колонны, в которой в корпус на опорные решетки упорядоченно уложена насадка, состоящая из перфорированного кольца, снабженного внешними кольцевыми элементами с продольными вырезами, присоединенными с помощью ребер к перфорированному кольцу (Авт. св. СССР №294399, В01D 53/18, 1979).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточно равномерное распределение жидкости и газа по объему колонны, когда основная часть газа движется по центру, а жидкость по периферии сечения колонны - у ее стенок, что приводит к необходимости установки перераспределителей жидкости и увеличению высоты колонны.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту и выбранному за прототип является насадочная колонна для контактных аппаратов, содержащая цилиндрический корпус и насадку в виде уложенных в нем керамических колец с катализатором, при этом кольца выполнены с отношением их длины к диаметру 1,5-2,5, а длина кольца составляет 0,4-1,0 внутреннего диаметра корпуса, а при многорядном размещении колец в корпусе кольца выполнены в виде однополостных гиперболоидов (Авт. св. СССР №1625518, B01J 19/30, 1991).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерное распределение жидкости и газа по сечению и высоте колонны, что уменьшает скорость массопередачи, приводит к необходимости установки перераспределителей жидкости и в конечном счете увеличивает высоту колонны.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка конструкции насадочной колонны и насадки и ее размещения в колонне, позволяющей равномерно распределять жидкость и газ по высоте колонны, что увеличивает эффективность процесса массопереноса.

Техническим результатом является увеличение степени очистки газа за счет интенсификации процесса массопередачи между газом и жидкостью.

Поставленный технический результат достигается тем, что в насадочной колонне, содержащей цилиндрический корпус и насадку в виде многорядно размещенных в нем колец, боковая поверхность колец насадки изогнута по окружности с радиусом R=0,08-0,1 м, при этом кольца вертикально установлены со смещением в рядах выпуклой стороной к оси корпуса колонны таким образом, что верхний выступающий край каждого кольца нижнего ряда размещен внутри кольца верхнего ряда.

Выполнение боковой поверхности колец насадки изогнутыми по окружности радиуса R позволяет при стекании по ним сверху вниз пленки жидкости и обтекании этой пленки жидкости потоком газа, движущимся снизу вверх, создавать центробежную силу, заставляющую жидкость, имеющую большую плотность, двигаться от центра кривизны радиуса R, а газ, имеющий меньшую плотность, к центру кривизны.

Вертикальная установка в рядах колец насадки выпуклой стороной к оси корпуса колонны позволяет создать в жидкости помимо осевой компоненты скорости, направленной сверху вниз, центробежную радиальную компоненту скорости от периферии к центру колонны, а в газе, помимо осевой компоненты скорости, направленной снизу вверх, центробежную радиальную компоненту скорости от центра к периферии.

Изгиб боковой поверхности колец насадки по окружности с радиусом R=0,08-0,1 м позволяет создавать центробежную силу одного порядка с силой тяжести, то есть центробежное ускорение, равное или несколько большее ускорения свободного падения

V²/R g,

где V - скорость жидкости или газа, м/с; R - радиус боковой поверхности колец насадки, м; g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с². Так как рабочие скорости газа и жидкости в насадочных колоннах порядка 1 м/с, то

R V²/g 0,1

Увеличение радиуса R больше верхнего предела, равного 0,1 м, приводит к уменьшению центробежной силы и снижению эффекта выравнивания потоков жидкости и газа по сечению и высоте колонны, что не позволяет интенсивно перемешивать потоки жидкости и газа.

Уменьшение радиуса R ниже 0,08 м приводит к чрезмерному увеличению центробежной силы, что также не позволяет равномерно распределять потоки жидкости и газа по сечению и высоте колонны, что снижает эффективность массопереноса и скорость массопередачи.

Кроме того, вертикальная установка колец со смещением в рядах так, что выступающий край каждого кольца нижнего ряда размещен внутри кольца верхнего ряда, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление, увеличить устойчивость колец в рядах и облегчить их установку при монтаже.

На фиг.1 представлен вертикальный разрез фрагмента насадочной колонны; на фиг.2 - общий вид кольца насадки в разрезе.

Насадочная колонна состоит из корпуса 1, в котором размещены кольца 2 насадки на опорной решетке 3; боковая поверхность 4 колец 2 насадки изогнута по окружности с радиусом R=0,08-0,1 м, при этом кольца 2 вертикально установлены со смещением в рядах выпуклой стороной к оси корпуса колонны таким образом, что выступающий край 5 каждого кольца нижнего ряда размещены внутри кольца верхнего ряда.

Насадочная колонна работает следующим образом.

В корпус 1 колонны сверху подается жидкость, которой сначала заполняется весь объем корпуса 1 для полного смачивания всей поверхности колец 2 насадки. Затем снизу в колонну 1 подается газ.

Поток газа обтекает пленку жидкости, стекающей по поверхности колец 2 насадки и, проходя через все ряды многорядно вертикально со смещением установленных колец, выходит вверх из корпуса 1.

Так как боковая поверхность 4 каждого кольца 2 насадки изогнута по окружности радиуса R=0,08-0,1 м и каждое кольцо в ряду вертикально установлено со смещением выпуклой стороной боковой поверхности 4 к оси корпуса 1 колонны, то при течении пленки жидкости по выпуклой боковой поверхности 4 сверху вниз в ней под действием центробежной силы возникает компонента скорости, направленная вдоль радиуса R к центру колонны. В потоке газа, обтекающем пленку жидкости снизу вверх под действием центробежной силы, возникает компонента скорости, направленная вдоль радиуса R, но от оси колонны к стенке корпуса 1, так как плотность газа много меньше плотности жидкости.

При средних осевых скоростях жидкости и газа порядка 1 м/с при радиусе боковой поверхности 4 колец 2 R=0,08-0,1 м центробежная сила, возвращающая пленку жидкости к оси корпуса колонны, а поток газа, обтекающий эту пленку, отбрасывающая от оси колонны к корпусу 1, становится одного порядка с силой тяжести, что позволяет интенсивно перемешивать потоки жидкости и газа равномерно во всем объеме колонны как по высоте, так и по радиусу.

Меньшее значение радиуса R=0,08 м предпочтительно для колец насадки малого размера, чтобы на небольшой длине боковой поверхности 4 колец 2 большая центробежная сила успела создать радиальные компоненты скорости жидкости к центру колонны, а скорости газа к корпусу 1.

Большее значение радиуса R=0,1 м предпочтительно для колец насадки большего размера, так как в этом случае даже меньшая центробежная сила успевает создать на большой длине боковой поверхности 4 колец 2 искомые радиальные компоненты скорости для жидкости и газа.

Таким образом, предлагаемая конструкция насадочной колонны позволяет за счет создания центробежной силы двигаться жидкости не только сверху вниз, но и в радиальном направлении от стенки к оси колонны, а газ под действием этой силы движется не только снизу вверх, но и в радиальном направлении от оси колонны к ее стенке. Это увеличивает скорость массопередачи за счет интенсивного перемешивания газа и жидкости, равномерного заполнения ими всего объема колонны по высоте и радиусу, увеличивает поверхность раздела фаз за счет дробления капель и пузырьков газа, предотвращает перемещение жидкости к стенке колонны, а газа к ее оси, уменьшает размеры колонны и в конечном счете увеличивает эффективность процесса массопереноса.

Предлагаемые кольца насадки несложно установить в действующих насадочных колоннах, заменив в них обычную насадку типа колец Рашига и других, или чередовать обычную насадку, уложенную в навал, с рядами предлагаемых колец насадки с боковой поверхностью, изогнутой по окружности, и установленных согласно формуле изобретения.