Pierwszenstwo: Opublikowano: 15.05.1974 69642 KI. 12e,3/03 MKP BOld 53/18 Twórca wynalazku: Jkuo Takase Wlasciciel patentu: Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha, Tokio (Japonia) Aparat do kontaktowania gazów z cieczami Przedmiotem wynalazku jest aparat do kontaktowa¬ nia gazów z cieczami stosowany w kolumnach, zwlasz¬ cza destylacyjnych, absorpcyjnych i dyspersyjnych, sto¬ sowanych na przyklad w petrochemii lub ogólnie w przemysle chemicznym.Pólki stosowane dotychczas w takich kolumnach do kontaktowania gazów z cieczami dziela sie na trzy ro¬ dzaje: pólki dzwonowe, pólki perforowane i pólki zawo¬ rowe. Pólki dzwonowe stanowia najdrozsze rozwiaza¬ nie sposród wymienionych i nie nadaja sie do stosowa¬ nia w przypadku, gdy potrzebna jest samoczynna regu¬ lacja przeplywu cieczy i gaizu i mozliwie najlepsze do¬ stosowanie do zmian nastepujacych w przeplywie gazu.Ze wzgledu na te wady pólki tego typu zastapiono w wiekszosci pólkami zaworowymi. Pólki te posiadaja otwory, nad którymi znajduja sie odpowiednio prowa¬ dzone grzybki, miseczki lub inne elementy zaworowe dzieki czemu wielkosc otworów przeplywowych jest sa¬ moczynnie regulowana odpowiednio do ilosciowych zmian przeplywajacego ku górze gazu lub pary. Pólki perforowane posiadaja z reguly tylko same otwory. Ze wzgledu na ich najprostsza konstrukcje oraz najnizszy koszt wytwarzania spelnialy one doskonale swoje zada¬ nie ze wzgledu na najwyzsza wydajnosc w optymalnych warunkach pracy. Z drugiej jednak strony zakres stabil¬ nej pracy pólek, w którym pracuja najwydajniej jest ograniczony, gdy próbuje sie (zmniejszyc pecherzyki ga¬ zu w celu uzyskania dokladniejszego kontaktu gazu i cieczy. Nie uzyskuje sie równiez zadawalajacych efek¬ tów w zwiazku z zatykaniem sie otworów oraz z wielu 10 15 20 25 30 innych przyczyn. Ponadto przy pólkach perforowanych, zmniejszenie doplywu przeplywajacego ku górze gazu lub pary powoduje przeciekanie cieczy znajdujacej sie na pólce przez otwory co z kolei jest przyczyna zmniej¬ szania wydajnosci pólki podczas pracy przy malym ob¬ ciazeniu.Niniejszy wynalazek ma na celu usuniecie towarzysza¬ cych wad znanym pólkom w aparatach do kontaktowa¬ nia gazów z cieczami.Zadanie postawione przed wynalazkiem zostalo roz¬ wiazane w ten sposób, ze zamiast elementów zaworo¬ wych oddzielnych dla kazdego otworu, jak to mialo miejsce w znanych pólkach zaworowych zastosowano luzne elementy swobodnie przemieszczajace sie w cieczy znajdujacej sie na pólce, tak, ze ich ruch swobodny w cieczy wywolany przeplywem gazu powoduje zwieksze¬ nie kontaktu pomiedzy ciecza a gazem.Zalety znanych pólek perforowanych w nowym roz¬ wiazaniu zostaja zachowane a nawet poprawione ponie¬ waz zakres stabilnej pracy pólki zostaje znacznie roz¬ szerzony, dzieki ozem zostaje zwiekszona wydajnosc.Ponadto swobodnie poruszajace sie w cieczy elementy, podczas intensywnego przeplywu gazu, unosza sie po¬ nad pólka otwierajac calkowicie otwory a przy zmniej¬ szonym przeplywie opadaja na pólke uniemozliwiajac przeciekanie cieczy.Przedmiot wynalazku jest szczególowo objasniony w dalszej czesci opisu w przykladzie wykonania przedsta¬ wionym na zalaczonym rysunku na którym fig. 1 przed- 6964269642 stawia jedna z mozliwych postaci swobodnych elemen¬ tów wypelniajacych zastosowanych w aparacie wedlug wynalazku, fig. 2 — inny przyklad uksztaltowania ta¬ kiego elementu, fig. 3 — dalszy przyklad uksztaltowa¬ nia takiego elementu, fig. 4 — element o jeszcze innym uksztaltowaniu, fig. 5 — aparat wedlug wynalazku, w przekroju pionowym, w którym to aparacie zastosowano na perforowanych pólkach elementy wypelniajace przed¬ stawione przykladowo na fig. 1 do 4, fig. 6 — aparat z fig. 5 w przekroju poziomym wedlug A—A, fig. 7 i 8 — zachowanie sie elementów wypelniajacych w cieczy znajdujacej sie nad pólka a fig. 9 — wykres ilustrujacy zalety aparatu wedlug wynalazku przez porównanie jego charakterystyki z charakterystykami znanych aparatów.Na fig. 1 przedstawiony jest miseczkowy element 1 wypelniajacy wytloczony z blachy o grubosci 0,1 do 0,2 mm i uksztaltowany w dalszych szczególach tak jak to przedstawiono na rysunku.Elementy 1 wypelnienia sa wykonane z metalu odpor¬ nego na korozje, na przyklad ze stali nierdzewnej, a ciezar kazdego z tych elementów wynosi 0,4 do 1,0 g.Element pokazany na fig. 1 posiada dwa wglebienia 2i, 2«2 w ksztalcie litery „V" wytloczone na obwodzie.Wglebienia te uniemozliwiaja wpadniecie jednego ele¬ mentu w drugi i dzieki temu umozliwiaja poszczegól¬ nym elementom swobodny ruch w cieczy znajdujacej sie na pólce. Elementy 1 wypelnienia moga byc wykonane z kazdego odpowiednio dobranego materialu spelniaja¬ cego takie warunki jak odpornosc na korozje, odpor¬ nosc na zuzycie, dobra obrabiakiosc i szereg innych szczególnych wymagan. Przedstawiony na fig. 2 ele¬ ment 1 wypelnienia nie ma na obwodzie wglebien, na¬ tomiast posiada dwa skierowane do wewnatrz jezyczki 3i, 32, spelniajace to samo zadanie co rowki w poprzed¬ nim przykladzie. Element wypelnienia przedstawiony na fig. 3 ma ksztalt stozkowy. Wglebienia 4i, 42 wykonane na powierzchni tego elementu o ksztalcie podobnym do wglebien z fig. 1 i spelniaja równiez taka sama role.Chociaz elementy wypelnienia maja przykladowo ksztalt miseczkowy i stozkowy z wglebieniami lub jezyczkami, mozliwe jest równiez zwiniecie tasmy metalowej i ufor¬ mowanie elementu 5 spiralnego takiego jak przedstawio¬ no na fig. 4. Tak wiec elementy 1 i 5 wypelnienia nie musza miec koniecznie ksztaltu przedstawionego na fig. 1 do 4 i moga miec kazda dowolna postac pod warun¬ kiem, ze nie maja ksztalków regularnych oraz takich, które umozliwialyby wzajemne wpadanie elementów je¬ den w drugi lub zestawianie w stosy.Na fig. 5 przedstawiono dla porównania w jednym aparacie elementy wypelniajace wedlug wynalazku obok znanych pólek perforowanych. Jak widac na rysunku najwyzsza pólka aparatu stanowi zwykla pólke perforo¬ wana, srodkowa jest równiez zwykla pólka perforowana ale z wypelnieniem skladajacym sie z elementów 1 i 5 wedlug wynalazku a najnizsza pólka jest wykonana z siatki drucianej, na której równiez jest umieszczone wy¬ pelnienie wedlug wynalazku skladajace sie z elementów 1 lub 5. Wewnatrz plaszcza 10 kolumny, w górnej jego czesci, jest umieszczona znana pólka perforowana 11.Ciecz A spada do pomieszczenia po prawej stronie gór¬ nej pólki 11 i jest utrzymywana na okreslonym pozio¬ mie wzgledem pólki 11 a nadmiar cieczy splywa po¬ przez przegrode 12 i opada z lewej strony aparatu po¬ przez przewód opadowy 13. Nastepnie ciecz przeplywa przez pólke perforowana 11' nad która znajduje sie wy¬ pelnienie 1 a nadmiar przelewa sie do przewodu opa¬ dowego 14, po prawej stronie, na siatke druciana 15 sta¬ nowiaca najnizsza pólke kolumny równiez z wypelnie- 5 niem i odplywa poprzez przewód opadowy 16 znajdu¬ jacy sie po lewej stronie. Przeplywajacy ku górze gaz lub para B kontaktuje sie w róznych miejscach z ciecza.Przegrody 17 zapobiegaja rozpryskiwaniu sie cieczy.Zwykle w kolumnach takich jak destylacyjne lub 10 absorpcyjne, ciecz A przeplywa w dól z najwyzszej pól¬ ki na nizsze poprzez przewody opadowe 13, 14, 16. Gdy ciecz przeplywa nad pólka perforowana 11' lub siatko¬ wa 15 styka sie ona z gazami lub para B przeplywaja¬ cymi stale ku górze poprzez otwory lub oczka pólek 11', 15 15 na skutek czego nastepuje przemieszczanie substancji i przenoszenie ciepla. Okreslona ilosc cieczy jest zatrzy¬ mywana na pólkach 11' i 15 przez przegrody przelewo¬ we 12, dzieki czemu zostaje zachowana równowaga po¬ miedzy iloscia cieczy a iloscia przeplywajacego gazu, 20 gdyz nadmiar cieczy przelewa sie poprzez przegrody na nizsze pólki.Na fig. 7 i 8 przedstawiono prace pólki 11' przy za¬ stosowaniu elementów wypelniajacych 1 i 5. Wtedy gdy przeplyw gazu lub pary B jest intensywny, elementy wy- 25 pelniajace 1 unoszone sa przez pecherzyki gazu i poru¬ szaja sie w róznych kierunkach tworzac ruchoma war¬ stwe C, dzieki czemu nastepuje dokladny kontakt mie¬ dzy gazem i ciecza spowodowany mieszaniem cieczy oraz rozdzieleniem strumienia gazu na pecherzyki przy 30 przejsciu przez perforowana pólke 11'. Gdy ilosc prze¬ plywajacego ku górze gazu lub pary B jest niewielka elementy 1 wypelnienia spoczywaja na pólce 11', two¬ rzac miedzy soba liczne niewielkie kanaliki co pozwala na rozdzielenie strumienia gazu na malenkie pecherzy- 35 ki i uniemozliwia przeciekanie cieczy przez otwory pól¬ ki. Jak z powyzszego wynika uzyskuje sie lepszy kon¬ takt miedzy ciecza i gazem.Czynnikami wplywajacymi w najwiekszym stopniu na zachowanie wlasciwych i stalych warunków przeplywu, 40 przy zmiennym obciazeniu to jest przy zmianie ilosci przeplywajacego ku górze gazu, sa: ilosc zastosowanego wypelnienia, okreslana na podstawie stosunku optymal¬ nej objetosci wypelnienia do objetosci przestrzeni zaj¬ mowanej przez ciecz, oraz ksztalt elementów wypelnie- 45 nia, które musza byc wystarczajaco duze aby pozosta¬ waly na pólce i nie przelatywaly przez otwory na nizsza pólke.Przykladowo pólka wedlug wynalazku posiada otwo¬ ry o srednicy 10 do 20 mm, a elementy maja STednice o okolo 2 mm mniejsza. Otwory zajmuja 10 do 30% po¬ wierzchni pólki.Elementy wypelnienia moga tworzyc na kazdej pól¬ ce od 1 do 3 warstw, zwykle 1,5 warstwy. 55 Przeprowadzona eksperymentalna destylacja benzenu z toluenem przy uzyciu znanych pólek perforowanych bez wypelnienia i z zastosowaniem elementów wypel¬ niajacych 1 dala wyniki przedstawione w postaci wy¬ kresu na fig. 9. Na wykresie predkosci przeplywajacych 60 ku górze gazów lub par, charakteryzujace warunki pra¬ cy, jest odlozona na osi odcietych podczas gdy wydaj¬ nosc kolumny na osi rzednych. Krzywa Xi przedstawia wyniki uzyskane przy zastosowaniu pólki perforowanej bez wypelnienia, krzywa X2 — wyniki przy zastosowa- 65 niu na pólce perforowanej wypelnienia w ilosci 50%, 5069642 krzywa X3 — wyniki przy zastosowaniu wypelnienia w ilosci 100% a krzywa 1X4 — wyniki przy 150% wy¬ pelnienia. Procent wypelnienia podano w odniesieniu do jednej warstwy wypelnienia, która przyjeto za 100%.Jak wynika z wykresu wynalazek niniejszy rozszerza znacznie zakres wydajnej pracy, w którym pracuje zwykla pólka perforowana 11 i który dotychczas byl ograniczony stanowiac wade znanych rozwiazan.Krzywe X2 do X4 wskazuja, ze przy malym obcia¬ zeniu t.j. przy niewielkim przeplywie gazu lub pary wypelnienie osiada na powierzchni pólki perforowanej 11' ograniczajac przeplyw gazu lub pary i stwarzajac optymalne warunki kontaktu cieczy z gazem lub para.Z przebiegu tych krzywych wynika równiez, ze przy duzym obciazeniu tj. przy intensywnym przeplywie ga¬ zu wypelnienie unosi sie i porusza w cieczy rozdzie¬ lajac gaz na male pecherzyki co uniemozliwia wycie¬ kanie kropelek cieczy na nizsza pólke i powoduje in¬ tensywne mieszanie cieczy znajdujacej sie na pólce 11' co zwieksza wydatnie mozliwosc kontaktu miedzy cie¬ cza i gazem. Krótko mówiac aparat wedlug wynalazku zawiera zwykle pólki perforowane, które sa najprostsze w konstrukcji i najmniej kosztowne w porównaniu do innych typów znanych pólek oraz wypelnienie rozsy¬ pane po prostu w sposób nieregularny na powierzchni pólki. To uproszczone rozwiazanie eliminuje niedogod¬ nosci wlasaiwe zwyklym pólkom perforowanym a mia¬ nowicie ograniczony zakres stabilnego dzialania dajac dodatkowo zwiekszenie wydajnosci przy bardziej opty¬ malnych warunkach pracy w porównaniu z pólkami in¬ nego typu. Elementy wypelniajace 1 lub 5 przedstawio¬ ne na fig. 1 do 4 moga byc stosowane osobno w jed¬ nej odmianie ksztaltowej badz tez jako polaczenie kil¬ ku odmian ksztaltowych daje wyniki podobne do przed¬ stawionych na wykresie fig. 9.Powyzszy przyklad wykonania aparatu wedlug wyna¬ lazku wykazuje, ze waski dotychczas zakres stabilnej pracy pólek perforowanych, stanowiacy ich podstawo¬ wa wade, moze byc obecnie znacznie rozszerzony. W praktyce wypelnienie wedlug wynalazku pomaga w za¬ chowaniu wysokowydajnego kontaktu pomiedzy gazem i ciecza, przy bardzo szerokim zakresie predkosci prze¬ plywu gazu poniewaz wypelnienie to rozmieszczone nieregularnie na pólce tworzy pod wplywem przeply¬ wajacego gazu warstwe zawieszona w cieczy znajduja¬ cej sie na pólce. Podczas pracy przy malym obciaze¬ niu, to jest gdy przeplyw gazu ku górze jest nieznacz¬ ny, elementy wypelnienia opadaja na powierzchnie pól¬ ki pokrywajac ja nieregularnie i tworzac warstwe, w której wystepuja liczne waskie szczeliny ulatwiajace zmniejszenie pecherzyków gazu do bardzo niewielkich rozmiarów a jednoczesnie uniemozliwiajace przecieka¬ nie cieczy tak, ze utrzymany jest stale wysokowydajny kontakt miedzy gazem a ciecza niezaleznie od predkos¬ ci przeplywu gazu.Podczas pracy przy duzym obciazeniu, to jest przy intensywnym przeplywie gazu lub pary przez ciecz, nie¬ regularnie rozmieszczone elementy wypelnienia porusza¬ ja sie nad pólka tak, ze powoduja mieszanie cieczy oraz rozbijaja pecherzyki gazu, utworzone przez przejscie otwory pólki, na wiele znacznie drobniejszych dzieki czemu aparat dziala bardzo wydajnie. Podzialka roz¬ mieszczenia otworów w pólkach stosowanych w apara¬ cie wedlug wynalazku nie jest praktycznie niczym ogra¬ niczona w przeciwienstwie do znanych pólek perforo¬ wanych i wielkosc podzialki zalezy jedynie od wlasnosci 5 wytrzymalosciowych materialu. Dzieki temu w pólce mozna wykonac dwukrotnie wiecej otworów niz w zna¬ nych dotychczas pólkach. Stanowi to jeszcze jeden czyn¬ nik wplywajacy na zwiekszenie powierzchna kontakto¬ wej pornieczy gazem i ciecza w aparacie wedlug wyna- 10 lazku. Poniewaz wytwarzanie wypelnienia jest stosun¬ kowo proste mozna je latwo wytwarzac systemem maso¬ wym z czego wynika znaczne obnizenie kosztów. Po¬ nadto elementy wypelnienia sa lekkie i wystarczy je tyl¬ ko wysypac na pólki po zmontowaniu aparatu. Pozwa- 15 la to na ekonomiczna produkcje i montaz aparatu i skra¬ ca znacznie czas potrzebny do tego celu.W aparacie wedlug wynalazku jak to juz zostalo szczególowo opisane na pólkach posiadajacych wiele otworów przez które przeplywa ku górze gaz, znajduje 20 sie wypelnienie skladajace sie z nieregularnie rozmiesz¬ czonych luznych elementów, które pod wplywem prze¬ plywajacego w postaci pecherzyków gazu unosza sie w cieczy znajdujacej sie na pólce. Tak wiec zaleta roz¬ wiazania wedlug wynalazku stanowiacym wysokowydaj- 25 ny aparat do kontaktowania cieczy i gazów jest to, ze swobodny ruch elementów wypelnienia wydatnie popra¬ wia mozliwosc kontaktu gazu z ciecza co sumujac sie z korzystnymi cechami pólek perforowanych powoduje wyeliminowanie wady tego typu pólek przez zwieksze- 30 nie dotychczas ograniczonego zakresu stabilnej pracy i przez to zapewnia znaczne zwiekszenie calkowitej wy¬ dajnosci aparatu. 35 PL PL