RU139121U1

RU139121U1 - MASS EXCHANGE CONTACT DEVICE FOR INTERACTION OF LIQUID AND GAS

Info

Publication number: RU139121U1
Application number: RU2013140643/05U
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Лесухин
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между вертикальными стержнями и зигзагообразными перегородками, отличающееся тем, что зигзагообразные перегородки выполнены с отношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, и радиусами гиба зигзагообразных перегородок 5-20 мм, при этом расстояние между вертикальными стержнями t=12-28 мм, а вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15-0,30А.A mass-exchange contact device for the interaction of liquid and gas, containing zigzag partitions forming through vertical zigzag channels for the passage of liquid and gas, and vertical rods tightly adjacent to zigzag partitions with vertical sectioning plates staggered between the vertical rods and zigzag-shaped the fact that the zigzag partitions are made with the ratio N / A = 0.6 ÷ 2.0, where H is the height of the contact step, A - the width of the contact step, and the bending radii of the zigzag partitions are 5-20 mm, while the distance between the vertical rods is t = 12-28 mm, and the vertical sectioning plates are trapezoidal in shape with a passage window between the end face of this plate and the surface of the zigzag partition with its height h = 0.15-0.30A.

Description

Полезная модель относится к тепломассообменной технике, а именно к конструкциям массообменных насадочных контактных устройств, и может быть использовано в нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности для массообменных процессов взаимодействия жидкости и газа.The utility model relates to heat and mass transfer technology, namely to the design of mass transfer nozzle contact devices, and can be used in the oil, oil refining, petrochemical and other industries for mass transfer processes of interaction of liquid and gas.

Известен тепломассообменный аппарат, состоящий из волнистых зигзагообразных перегородок и вертикальных струн, установленных между перегородками, в котором достигается равномерное пленочное течение жидкости по поверхности перегородок и струн. Газ, подаваемый вниз аппарата, контактирует с поверхностью жидкости, не нарушая ее пленочного течения (SU, A1, №1327897, 1987).Known heat and mass transfer apparatus, consisting of wavy zigzag partitions and vertical strings installed between the partitions, in which a uniform film flow of fluid along the surface of the partitions and strings is achieved. The gas supplied down the apparatus contacts the surface of the liquid without disturbing its film flow (SU, A1, No. 1327897, 1987).

Недостатком данной конструкции является ограниченная поверхность межфазного контакта, и, следовательно, интенсивность массопереноса, поскольку поверхность контакта фаз не может быть больше поверхности самой насадки.The disadvantage of this design is the limited surface of the interfacial contact, and, therefore, the intensity of mass transfer, since the contact surface of the phases cannot be larger than the surface of the nozzle itself.

Наиболее близким к заявленной полезной модели является массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между вертикальными стержнями и зигзагообразными перегородками (RU, C1, №2461406, 2010).Closest to the claimed utility model is a mass transfer contact device for the interaction of liquid and gas, containing zigzag partitions forming through vertical zigzag channels for the passage of liquid and gas, and vertical rods that are tightly adjacent to zigzag partitions with vertical sectioning plates located in a checkerboard pattern between vertical rods and zigzag partitions (RU, C1, No. 2461406, 2010).

Известное решение позволяет увеличить поверхности межфазного контакта за счет замены волнистой зигзагообразной перегородки с большим радиусом гиба на зигзагообразную перегородку с острыми углами гиба, когда радиус кромки гиба не превышает 3 мм. Такая конструкция насадки способствует увеличению поверхности контакта фаз за счет создания динамических свободных пленок жидкости за каждым вертикальным стержнем и срыва потока жидкости с острых кромок зигзагообразных перегородок в местах непримыкания к ним стержней и последующим распадом жидкости на капли.The known solution allows to increase the interface surface by replacing a wavy zigzag partition with a large bend radius by a zigzag partition with sharp bend angles when the bend edge radius does not exceed 3 mm. This design of the nozzle contributes to an increase in the contact surface of the phases due to the creation of dynamic free fluid films behind each vertical rod and disruption of the fluid flow from the sharp edges of the zigzag partitions at the places where the rods do not adjoin and subsequent disintegration of the liquid into drops.

Недостатком данной конструкции является то, что в аппарате создаются благоприятные условия для пенообразования, поскольку и обдувание динамически свободных тонких пленок жидкости газом, и удары капель жидкости о пленку способствуют формированию пузырей. В случае с непенящимися жидкостями (вода, бензин) пузыри быстро схлопываются и существенно не препятствуют работе аппарата, а в случае с пенящимися (нефть, мазут, дизельное топливо) происходит накапливание пузырей с образованием пены, которая перекрывает проход газу. При этом гидродинамический режим аппарата принципиально меняется и скорость захлебывания кратно снижается.The disadvantage of this design is that the device creates favorable conditions for foaming, since the blowing of dynamically free thin films of liquid with gas and the impact of drops of liquid on the film contribute to the formation of bubbles. In the case of non-foaming liquids (water, gasoline), the bubbles quickly collapse and do not significantly interfere with the operation of the apparatus, and in the case of foaming (oil, fuel oil, diesel fuel) bubbles accumulate with the formation of foam, which blocks the gas passage. At the same time, the hydrodynamic regime of the apparatus changes fundamentally and the flooding rate decreases significantly.

Заявленная полезная модель направлена на устранение данного недостатка.The claimed utility model aims to eliminate this drawback.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели обеспечивается тем, что в массообменном контактном устройстве для взаимодействия жидкости и газа, содержащем зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между вертикальными стержнями и зигзагообразными перегородками, зигзагообразные перегородки выполнены с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, и радиусами гиба зигзагообразных перегородок 5÷20 мм, при этом расстояние между вертикальными стержнями t=12÷28 мм, а вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15÷0,30А.The technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is ensured by the fact that in the mass transfer contact device for the interaction of liquid and gas containing zigzag partitions forming through vertical zigzag channels for the passage of liquid and gas, and vertical rods that are closely adjacent to zigzag partitions with vertical sectioning staggered plates between vertical rods and zigzag partitions, zigzag important partitions are made with the ratio N / A = 0.6 ÷ 2.0, where H is the height of the contact step, A is the width of the contact step, and the bending radii of the zigzag partitions are 5 ÷ 20 mm, and the distance between the vertical rods is t = 12 ÷ 28 mm, and the vertical sectioning plates are made of a trapezoidal shape with the formation of a passage window between the end face of this plate and the surface of the zigzag partition with its height h = 0.15 ÷ 0.30 A.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - принципиальная схема узла сопряжения зигзагообразной перегородки и секционирующей трапецеидальной пластины.In FIG. 1 shows a general view of the device, FIG. 2 is a schematic diagram of a junction of a zigzag partition and a sectioning trapezoidal plate.

Массообменный аппарат включает корпус штуцера ввода и вывода реагентов (не показано), и массообменное контактное устройство, содержащее зигзагообразные перегородки 1, стержни 2 и вертикальные секционирующие пластины 3. Перегородки 1 образуют сквозной зигзагообразный канал для прохода жидкости и газа. Стержни 2 плотно прилегают к перегородкам 1 в местах гиба последних и способствуют направленному срыву жидкости с образованием динамически-устойчивых, как бы натягивающихся между стержнем 2 и перегородкой 1, параллельных пленок.The mass transfer apparatus includes a housing of a reagent inlet and outlet fitting (not shown), and a mass transfer contact device containing zigzag partitions 1, rods 2 and vertical sectioning plates 3. The partitions 1 form a through zigzag channel for the passage of liquid and gas. The rods 2 fit snugly against the partitions 1 at the points of bending of the latter and contribute to the directed breakdown of the liquid with the formation of dynamically stable parallel films, which seem to stretch between the rod 2 and the partition 1.

Зигзагообразные перегородки 1 выполняются с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта. Экспериментально было установлено, что в этих диапазонах величин H и А наблюдается наиболее устойчивые динамические пленки с наименьшим дроблением их на капли. При уменьшении соотношения Н/А менее 0,6 или увеличении более 2,0 устойчивость пленки резко снижается и происходит нежелаемое дробление пленки на капли.Zigzag partitions 1 are made with the ratio N / A = 0.6 ÷ 2.0, where H is the height of the contact step, A is the width of the contact step. It was experimentally established that in these ranges of H and A values the most stable dynamic films with the smallest fragmentation into droplets are observed. With a decrease in the N / A ratio of less than 0.6 or an increase of more than 2.0, the stability of the film decreases sharply and undesirable fragmentation of the film into drops occurs.

Выполнение зигзагообразной перегородки 1 с радиусом гиба 5÷20 мм обеспечивает сплошность пленки жидкости и сохранение ее на поверхности перегородки 1 в месте гиба, как это не имело бы место быть в случае с острой кромкой гиба, менее 3 мм.The implementation of a zigzag partition 1 with a bend radius of 5 ÷ 20 mm ensures the continuity of the liquid film and its preservation on the surface of the partition 1 at the bend, as would not be the case with a sharp bend edge, less than 3 mm.

Зигзагообразную перегородку выполняют с радиусом гиба 5÷20 мм, для того чтобы, пленка жидкости не срывалась с перегородки в месте гиба, как в случае с острой кромкой, перетекала по той же перегородке, изменяя направление на ее внутреннюю сторону. При радиусе гиба более 20 мм формирование динамических пленок прекращается и все жидкость начинает стекать по зигзагообразным перегородкам. При этом эффективность работы аппарата резко снижается.A zigzag partition is performed with a bend radius of 5 ÷ 20 mm, so that the liquid film does not tear off the partition at the bend, as in the case of a sharp edge, flows over the same partition, changing direction to its inner side. With a bend radius of more than 20 mm, the formation of dynamic films ceases and all the liquid begins to drain along zigzag partitions. At the same time, the efficiency of the apparatus decreases sharply.

Расстояние между вертикальными стержнями выполняют с шагом t=12÷28 мм, поскольку в таком диапазоне шага стержней установлен максимальный эффект образования динамически устойчивых двухсторонних пленок жидкости между стержнями 2 и зигзагообразными перегородками 1 с обратной стороны стержня 2 по направлению движения жидкости. При этом практически прекращается срыв динамически свободных пленок за каждым вертикальным стержнем 2 по направлению движения жидкости.The distance between the vertical rods is performed with a pitch of t = 12–28 mm, since in this range of the pitch of the rods the maximum effect of the formation of dynamically stable bilateral liquid films between the rods 2 and the zigzag partitions 1 from the back of the rod 2 in the direction of fluid movement is established. In this case, the disruption of dynamically free films behind each vertical rod 2 in the direction of fluid movement practically stops.

Динамическая устойчивость внутренних пленок обуславливается действием сил поверхностного натяжения, поскольку пленка, с одной стороны, «цепляется» за жидкость стекающую по стержням 2, а с другой - за жидкость, стекающую по стенке зигзагообразной перегородки 1.The dynamic stability of the inner films is determined by the action of surface tension forces, since the film, on the one hand, “clings” to the liquid flowing down the rods 2, and on the other hand, to the liquid flowing down the wall of the zigzag partition 1.

Вертикальные секционирующие пластины 3 имеют форму равнобедренных трапеций и своими боковыми сторонами крепятся к зигзагообразным перегородкам 1, формируя пропускное окно 4 между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки 1 высотой усеченной части h=0,15÷0,3Н. Установлено, что влияние трапецеидальных секционирующих пластин 3 обеспечивает дополнительное выравнивание движения газа по сечению аппарата за счет его перетока в образовавшиеся окна 4 в горизонтальном сечении, что в целом положительно влияет на увеличение производительности аппарата по газу при работе на пенящихся жидкостях.The vertical sectioning plates 3 have the shape of isosceles trapezoidal surfaces and are attached to the zigzag partitions 1 with their lateral sides, forming a through hole 4 between the end face of this plate and the surface of the zigzag partition 1 with the height of the truncated part h = 0.15 ÷ 0.3N. It has been established that the influence of trapezoidal sectioning plates 3 provides an additional equalization of the gas movement over the apparatus cross section due to its flow into the formed windows 4 in a horizontal section, which generally positively affects the increase in the gas productivity of the apparatus when working on foaming liquids.

Аппарат работает следующим образом:The device operates as follows:

Жидкость подается в верхнюю часть аппарата и с помощью распределительного устройства поступает в каждый сквозной зигзагообразный канал, в котором стекает по зигзагообразным перегородкам 1. В местах соединения зигзагообразных перегородок 1 с стержнями 2 жидкость, при указанных размерах аппарата за счет сил поверхностного натяжения, стекая вниз, преобразуется в динамически устойчивые пленки, которые натягиваются между зигзагообразными перегородками 1 и стержнями 2. Пленки имеют форму треугольника, сохраняют свою устойчивость, не дробятся на капли.Liquid is supplied to the upper part of the apparatus and, with the help of a distribution device, enters each through zigzag channel, in which it flows down the zigzag partitions 1. At the junction of the zigzag partitions 1 with the rods 2, the liquid flows at the indicated dimensions due to surface tension forces flowing down, it is transformed into dynamically stable films that are stretched between the zigzag partitions 1 and the rods 2. The films have the shape of a triangle, retain their stability, do not crush into droplets.

Газ, поступая в нижнюю часть аппарата, поднимается по сквозным зигзагообразным каналам вверх, контактирует с динамически-устойчивыми пленками жидкости, не разрывая их на капли, и не формируя пузырей жидкости. В результате чего достигается режим работы аппарата, не способствующий пенообразованию.Gas entering the lower part of the apparatus rises upward through the through zigzag channels, contacts with dynamically stable liquid films, without breaking them into drops, and without forming liquid bubbles. As a result, the operating mode of the apparatus is achieved, which does not contribute to foaming.

Таким образом, массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки 1, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохода жидкости и газа, и вертикальные стержни 2, плотно примыкающие к кромкам гиба зигзагообразных перегородок I, у которого на противоположных зигзагообразных перегородках 1 в шахматном порядке закреплены вертикальные секционирующие пластины 3, при этом зигзагообразные перегородки 1 выполнены с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, и радиусами гиба зигзагообразных перегородок 5÷20 мм, при этом расстояние между вертикальными стержнями t=12÷28 мм, а вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15÷0,30А можно использовать при работе на пенящихся жидкостях, при высоких нагрузках по жидкости, при этом предельная скорость газа в аппарате возрастет в 3÷5 раз.Thus, a mass transfer contact device for the interaction of liquid and gas, containing zigzag partitions 1, forming through vertical zigzag channels for the passage of liquid and gas, and vertical rods 2, which are closely adjacent to the edges of the bend of zigzag partitions I, which has opposite zigzag partitions 1 in vertical sectioning plates 3 are fixed in a checkerboard pattern, while the zigzag partitions 1 are made with a ratio of N / A = 0.6 ÷ 2.0, where H is the contact height , A is the width of the contact step, and the bending radii of the zigzag partitions are 5–20 mm, while the distance between the vertical rods is t = 12–28 mm, and the vertical sectioning plates are trapezoidal with the formation of a passage window between the end of this plate and the surface of the zigzag partition with its height h = 0.15 ÷ 0.30A can be used when working on foaming liquids, at high fluid loads, while the maximum gas velocity in the apparatus will increase by 3 ÷ 5 times.

Заявленная полезная модель позволяет увеличить производительность аппарата по газу при работе с пенящимися жидкостями на больших плотностях орошения более 100 м³/м² ч, путем минимизации доли жидкости, находящейся в аппарате в форме динамически-свободных пленках и в каплях.The claimed utility model allows to increase the gas productivity of the apparatus when working with foaming liquids at high irrigation densities of more than 100 m ³ / m ² h, by minimizing the fraction of liquid in the apparatus in the form of dynamically free films and in droplets.

Совокупность отличительных признаков заявленного устройства придают ему новые свойства, благодаря которым и обеспечивается технический результат, а именно увеличение производительности работы аппарата по газу при работе с пенящимися жидкостями при больших плотностях орошения.The combination of distinctive features of the claimed device gives it new properties, due to which the technical result is provided, namely, an increase in the gas productivity of the apparatus when working with foaming liquids at high irrigation densities.

В результате теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что при выполнении указанных выше конструктивных параметров создаются гидродинамические условия, позволяющие значительно увеличить производительность аппарата по газу при работе на пенящейся жидкости (система нефть Покровского месторождения - углеводородный газ).As a result of theoretical and experimental studies, it was found that when the above structural parameters are met, hydrodynamic conditions are created that can significantly increase the gas productivity of the device when working on foaming liquid (Pokrovsky field oil system - hydrocarbon gas).

Скорость захлебывания аппарата (м/с) при плотностях орошения (м³/м²*ч)The flooding rate of the apparatus (m / s) at irrigation densities (m ³ / m ² * h) 50fifty 100one hundred 150150 200200 250250 По прототипуAccording to the prototype 3,13,1 1,21,2 0,80.8 0,30.3 0,20.2 Предлагаемое массообменное контактное устройство (МКО)The proposed mass transfer contact device (MCO) 3,73,7 2,82,8 2,22.2 1,71.7 1,51,5

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИEXAMPLES OF IMPLEMENTATION OF A USEFUL MODEL

Таблица №1Table number 1 Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различных отношениях H/a и плотности орошения 150 м³/м²-чThe flooding rate of the apparatus (W, m / s) at various H / a ratios and irrigation density of 150 m ³ / m ² -h H/aH / a 0,30.3 0,50.5 0,60.6 1,01,0 1,51,5 2,02.0 2.22.2 2,52,5 WW 0,90.9 1,51,5 1,81.8 2,02.0 2,12.1 2,02.0 1,71.7 1,31.3 Таблица №2Table number 2 Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) и поверхность межфазного контакта (F, м²/м³) при различном радиусе гиба зигзагообразных перегородок (R, мм) и плотности орошения 150 м³/м²-ч,The flooding rate of the apparatus (W, m / s) and the interface surface (F, m ² / m ³ ) with different bending radius of zigzag partitions (R, mm) and irrigation density of 150 m ³ / m ² -h, RR 2,52,5 55 1010 15fifteen 20twenty 2525 WW 0,80.8 1,51,5 1,81.8 2,02.0 2,22.2 2,32,3 FF 118,4118.4 183,2183.2 185,6185.6 193,4193.4 187,1187.1 137,4137.4

Таблица №3Table number 3 Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различном расстоянии между вертикальными стержнями (t, мм) и плотности орошения 150 м³/м²-чThe flooding rate of the apparatus (W, m / s) at different distances between the vertical rods (t, mm) and the irrigation density of 150 m ³ / m ² -h tt 99 1212 15fifteen 20twenty 2525 2828 3131 WW 1,31.3 1,81.8 2,02.0 2,22.2 2,12.1 2,02.0 1,41.4 Таблица №4Table number 4 Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различной высоте усеченной части трапецеидальной перегородки (h) и плотности орошения 150 м³/м²-чThe flooding rate of the apparatus (W, m / s) at different heights of the truncated part of the trapezoidal septum (h) and the irrigation density of 150 m ³ / m ² -h hh 0,1H0.1H 0,15H0.15H 0,2H0.2H 0,25H0.25H 0,3H0.3H 0,35H0.35H WW 1,81.8 2,22.2 2,22.2 2,22.2 2,12.1 1,71.7

Claims

A mass-exchange contact device for the interaction of liquid and gas, containing zigzag partitions forming through vertical zigzag channels for the passage of liquid and gas, and vertical rods tightly adjacent to zigzag partitions with vertical sectioning plates staggered between the vertical rods and zigzag-shaped the fact that the zigzag partitions are made with the ratio N / A = 0.6 ÷ 2.0, where H is the height of the contact step, A - the width of the contact step, and the bending radii of the zigzag partitions are 5-20 mm, while the distance between the vertical rods is t = 12-28 mm, and the vertical sectioning plates are trapezoidal in shape with the passage window between the end of this plate and the surface of the zigzag partition with its height h = 0.15-0.30A.