RU2033837C1

RU2033837C1 - Mass transfer column of rectangular cross section with low hydraulic resistance

Info

Publication number: RU2033837C1
Application number: RU92012370A
Authority: RU
Inventors: И.П. Слободяник
Original assignee: Кубанский государственный технологический университет
Priority date: 1992-12-16
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: mass transfer column comprises vertical rectangular casing with tiered perforated grates spaced along the column height, and packing layers on grates. Grates have the form of inclined steps alternating in diametrically opposite directions in adjacent grates. Said adjacent steps overlap each other in plan and their rear and side edges in the direction of grate incline have upward-directed flanges for retaining the liquid. Each grate step is inclined at an acute angle to horizontal in the direction of grate inclination. The steps have arcuate cutouts with convex sides facing up and axles directed towards grate incline. The lowermost steps of the grate have the form of frames with stretched net whose mesh size is smaller than geometrical dimensions of packing. Grate steps are secured to one another and rest on two side support racks attached to casing walls. Vertical equal-size helical tightly-placed packing members of polymeric materials are resistant to aggressive medium and temperature. EFFECT: improved design. 5 dwg 5 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для систем газ (пар)-жидкость, предназначенных для процессов абсорбции, ректификации, промывки газов, и может найти применение в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. The invention relates to designs of packed-type mass transfer columns for gas (steam) -liquid systems intended for processes of absorption, rectification, gas flushing, and can find application in chemical, petrochemical, gas and other industries.

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающие распределительные решетки, слой насадки на каждой распределительной решетке, устройство для перераспределения жидкости под промежуточными решетками [1]
Недостатком известной массообменной колонны является недостаточно высокая эффективность массообмена из-за неравномерности распределения жидкости по поперечному сечению слоя насадки в колонне в зависимости от диаметра колонны, особенно в колоннах больших диаметров.Known mass transfer column, comprising a vertical cylindrical body, supporting distribution grilles, a layer of nozzle on each distribution grill, a device for redistributing liquid under the intermediate grilles [1]
A disadvantage of the known mass transfer columns is the insufficiently high efficiency of mass transfer due to the uneven distribution of liquid over the cross section of the packing layer in the column depending on the diameter of the column, especially in large diameter columns.

Наиболее близкой к заявляемой является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат прямоугольного сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка [2]
Недостатком известной массообменной колонны при взаимодействии больших объемов газа (пара) и малых объемов жидкости является неравномерное распределение жидкости по поперечному сечению колонны на различной высоте слоя насадки над распределительной решеткой и проваливание жидкости по всему сечению решетки, в результате чего эффективность массообмена слоя насадки на решетке равна локальной (точечной) эффективности массообмена, что является минимальной возможной эффективностью массообмена.Closest to the claimed one is a mass transfer column, including a vertical apparatus of rectangular cross section, inside of which perforated gratings are mounted in layers, on which the nozzle is located in layers [2]
A disadvantage of the known mass transfer column in the interaction of large volumes of gas (steam) and small volumes of liquid is the uneven distribution of liquid over the cross section of the column at different heights of the nozzle layer above the distribution grid and the dip of the liquid over the entire cross section of the grid, as a result of which the mass transfer efficiency of the nozzle layer on the grid is local (point) mass transfer efficiency, which is the minimum possible mass transfer efficiency.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена, увеличение производительности по газу (пару) и жидкости при одновременном уменьшении гидравлического сопротивления потоку газа (пара). The purpose of the invention is to increase the efficiency of mass transfer, increase productivity on gas (steam) and liquid while reducing hydraulic resistance to the flow of gas (steam).

Цель достигается тем, что в массообменной колонне прямоугольного поперечного сечения, включающей вертикальный корпус прямоугольного поперечного сечения с поярусно расположенными перфорированными решетками по высоте колонны и слоями насадки на решетках, решетки выполнены в виде наклонных ступеней поочередно в диаметрально противоположных направлениях в смежных по высоте решетках, смежные ступени решеток в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней по направлению уклона решетки имеют отбортовки вверх для задержки жидкости, каждая ступень решетки выполнена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки, в ступенях выполнены арочные прорези выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону уклона ступенчатой решетки, самые нижние ступени решетки выполнены в виде рамок, на которые натянута сетка с размерами ячеек меньше геометрических размеров насадки, ступени решетки закреплены между собой и опираются на две боковые опорные наклонные рейки, прикрепленные к стенкам корпуса, на ступени решетки вертикально установлены с плотной поперечной укладкой элементы одинаковой высоты винтовой насадки из полимерных материалов, стойких к агрессивной среде и температуре. The goal is achieved by the fact that in a mass transfer column of rectangular cross-section, including a vertical case of rectangular cross-section with tiered perforated gratings along the column height and nozzle layers on the gratings, the gratings are made in the form of inclined steps alternately in diametrically opposite directions in the gratings adjacent in height, adjacent the steps of the gratings overlap in plan, the rear and side edges of the steps in the direction of the slope of the grating have flanges up for delay liquids, each stage of the lattice is made with an inclination at an acute angle to the horizontal to the side of the inclination of the lattice, the steps have arched slots convex upward with axes directed towards the slope of the step lattice, the lowest steps of the lattice are made in the form of frames on which a grid with dimensions is stretched the cells are smaller than the nozzle’s geometrical dimensions, the lattice steps are fixed to each other and are supported by two side inclined support rails attached to the walls of the casing; th transverse helical laying nozzle elements of the same height from polymeric materials resistant to the corrosive environment and temperature.

На фиг.1 представлена массообменная колонна прямоугольного сечения, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 разрез В-В на фиг.2; на фиг.5 разрез Г-Г на фиг.1. Figure 1 presents the mass transfer column of rectangular cross section, a longitudinal section; figure 2 section aa in figure 1; figure 3 section BB in figure 2; figure 4 section BB in figure 2; in Fig.5 section GG in Fig.1.

Массообменная колона прямоугольного поперечного сечения с низким гидравлическим сопротивлением содержит (фиг.1-5) вертикальный корпус 1 прямоугольного поперечного сечения с поярусно расположенными наклонными ступенчатыми решетками 2 по высоте колонны, выполненные в виде наклонных перфорированных ступеней 3; смежные по высоте решетки 2 поочередно наклонены в диаметрально противоположные стороны, смежные ступени 3 решеток 2 в плане перекрывают друг друга, задние и боковые кромки ступеней 3 по направлению уклона решетки 2 имеют отбортовки 4 вверх для задержки жидкости и направления стока ее вперед по направлению уклона решетки 2, каждая ступень 3 решетки 2 установлена с наклоном под острым углом к горизонтали в сторону наклона решетки 2, в ступенях 3 выполнены арочные прорези 5 выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона ступенчатой решетки 2; несколько нижних ступеней 3 выполнены в виде прямоугольных рамок, на которые натянута сетка 6 с размерами ячеек меньше геометрических размеров насадки 7, укладываемой на ступени 3 решетки 2, причем на ступени 3 вертикально устанавливаются элементы винтовой насадки 7 с плотной укладкой по поперечному сечению колонны, ступени 3 решетки 2 закреплены между собой и установлены на две боковые опорные наклонные рейки 8, прикрепленные к стенкам колонны. The mass transfer column of a rectangular cross section with low hydraulic resistance (Figs. 1-5) comprises a vertical housing 1 of a rectangular cross section with tiered angled step gratings 2 along the height of the column, made in the form of inclined perforated steps 3; adjacent height gratings 2 are alternately tilted in diametrically opposite directions, adjacent steps 3 of gratings 2 overlap in plan, the rear and side edges of steps 3 in the direction of the slope of the grill 2 have flanges 4 upward for fluid retention and forward its flow forward in the direction of the slope of the grill 2, each step 3 of the grill 2 is installed with a slope at an acute angle to the horizontal to the side of the tilt of the grill 2, in steps 3 there are arched slots 5 with a convexity upward with axes directed towards the tilt of the step re brushes 2; several lower steps 3 are made in the form of rectangular frames on which a grid 6 is stretched with mesh sizes smaller than the geometrical dimensions of the nozzle 7 laid on the steps 3 of the grill 2, and elements of the screw nozzle 7 with tight packing along the cross section of the column, steps are vertically mounted on the step 3 3 lattices 2 are fixed to each other and mounted on two side support inclined rails 8 attached to the walls of the column.

Массообменная колонна прямоугольного поперечного сечения с низким гидравлическим сопротивлением работает следующим образом. Mass transfer column of rectangular cross section with low hydraulic resistance works as follows.

Газ (пар) поступает в корпус 1 колонны (фиг.1-5) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 5 в ступенях 3 и между отдельными ступенями 3 в слой винтовой насадки 7, контактирует при этом с жидкостью и увлекает ее, в результате происходит образование газо(паро)-жидкостной эмульсии с высокоразвитой межфазной поверхностью массообмена, при этом происходит перекрестное движение газа (пара) и жидкости, газ (пар) движется вверх практически по модели идеального вытеснения, а жидкость движется в слое насадки 7 на наклонной решетке 2 в диаметральном направлении по модели, близкой к модели идеального вытеснения при полном перемешивании по высоте слоя насадки 7, при высоких скоростях газа (пара), близких к режиму эмульгирования (захлебывания), так как при малых нагрузках по газу (пару) и жидкости, далеких от режима эмульгирования (захлебывания), использование предлагаемой массообменной колонны не имеет практического смысла. В условиях работы жидкость поступает в приподнятую часть решетки 2 со слоем насадки 7 и движется в слое насадки 7 по направлению уклона решетки 2 и стекает в нижней опущенной части решетки 2 через ячейки сеток 6, натянутых на рамки самых нижних ступеней решеток 2, и между ступенями 3 вниз на слой насадки 7 в возвышенную часть решетки 2 нижерасположенной решетки 2 и т.д. а через прорези 5 и между ступенями 3 в более возвышенных частях решетки 2 проходит вверх газ (пар), а жидкость перемещается через слой насадки 7 по направлению уклона решетки 2, при этом попадающая на ступени 3 жидкость увлекается газом (паром), выходящим из арочных прорезей 5, а сливу жидкости через задние или боковые кромки ступеней 3 препятствуют отбортовки 4 в ступенях 3. Gas (steam) enters the casing 1 of the column (Figs. 1-5) from below and moves upward, passes through arched slots 5 in steps 3 and between the individual steps 3 into the layer of the screw nozzle 7, contacts with the liquid and carries it into The result is the formation of a gas (vapor)-liquid emulsion with a highly developed interphase mass transfer surface, with the cross movement of gas (vapor) and liquid, gas (steam) moving up almost according to the ideal displacement model, and the liquid moves in the nozzle layer 7 on an inclined grating 2 in diameter direction according to a model close to the ideal displacement model with full mixing along the height of the nozzle layer 7, at high gas (vapor) velocities close to the emulsification (flooding) mode, since at low gas (vapor) and liquid loads far from emulsification (flooding) mode, the use of the proposed mass transfer columns does not make practical sense. Under operating conditions, the liquid enters the raised part of the grate 2 with the nozzle layer 7 and moves in the nozzle layer 7 in the direction of the slope of the grate 2 and flows into the lower lowered part of the grate 2 through mesh cells 6 stretched over the frames of the lowest steps of the gratings 2 and between the steps 3 down onto the nozzle layer 7 into the elevated part of the lattice 2 of the lower lattice 2, etc. and gas (steam) passes through the slots 5 and between the steps 3 in the higher parts of the grate 2, and the liquid moves through the nozzle layer 7 in the direction of the slope of the grate 2, while the liquid entering the stage 3 is carried away by the gas (steam) leaving the arched slots 5, and the discharge of fluid through the rear or side edges of steps 3 is prevented by flanging 4 in steps 3.

Предлагаемая массообменная колонна повышает эффективность массообмена, увеличивает производительность по газу (пару) при больших удельных нагрузках по жидкости порядка до 100 м³/м²ч и больше и снижает гидравлическое сопротивление потоку газа (пара) при сопоставимых условиях.The proposed mass transfer column increases the efficiency of mass transfer, increases the gas (steam) productivity at high specific fluid loads of the order of 100 m ³ / m ² h and more, and reduces the hydraulic resistance to the gas (vapor) flow under comparable conditions.

Повышение эффективности массообмена обеспечивается за счет секционирования слоя насадки по высоте установки поярусно наклоненных решеток по высоте колонны. При этом появляются дополнительные концевые эффекты, качественное воздействие которых на массообмен известно. Кроме того предупреждаются явления продольного байпасирования потоков газа (пара) и жидкости и каналообразования в потоках по высоте колонны, сильно снижающие эффективность массообмена. Благоприятные структуры потоков жидкости и газа (пара) в секциях при оптимальных нагрузках по фазам обеспечивают максимальную эффективность массообмена, так как газ (пар) движется через слой насадки в секции по модели идеального вытеснения, а жидкость движется по модели, близкой к модели идеального вытеснения в диаметральном направлении слоя насадки в секции при полном перемешивании по высоте слоя насадки, причем если полного перемешивания жидкости по высоте слоя насадки не проходит, то от этого эффективность не снижается, а наоборот возрастает, что обеспечивает некоторый запас гарантии предлагаемой физической модели процесса массообмена в секции. Improving the efficiency of mass transfer is ensured by sectioning the nozzle layer along the installation height of the tiered inclined gratings along the height of the column. In this case, additional end effects appear, the qualitative effect of which on mass transfer is known. In addition, the phenomena of longitudinal bypassing of gas (vapor) and liquid flows and channel formation in the flows along the column height, which greatly reduces the mass transfer efficiency, are prevented. Favorable structures of fluid and gas (vapor) flows in sections at optimal phase loads ensure maximum mass transfer efficiency, since gas (steam) moves through the nozzle layer in the section according to the ideal displacement model, and the liquid moves according to a model close to the ideal displacement model in the diametrical direction of the nozzle layer in the section with full mixing along the height of the nozzle layer, and if complete mixing of the liquid along the height of the nozzle layer does not pass, then this does not decrease, but rather It melts, providing a supply of guarantees offered by the physical model of mass transfer process in the section.

Увеличение производительности по газу (пару) при высоких удельных нагрузках по жидкости порядка 100 м³/м²ч и выше предлагаемой массообменной колонны за счет секционирования обеспечивается образованием над каждой секцией сепарационного пространства, которые компенсируют превышения нагрузок по газу (пару) и жидкости и явления захлебывания, при этом допускается работа предлагаемой массообменной колонны постоянно при нагрузках по газу (пару) и жидкости, превышающих нагрузки при режиме эмульгирования (захлебывания).The increase in gas (steam) productivity at high specific fluid loads of the order of 100 m ³ / m ² h and above the proposed mass transfer column due to sectioning is ensured by the formation of a separation space above each section that compensate for excess gas (steam) and liquid loads and phenomena flooding, while it is allowed the work of the proposed mass transfer columns constantly under loads of gas (steam) and liquid exceeding the loads in the emulsification (flooding) mode.

Снижение гидравлического сопротивления потоку газа (пара) предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом обеспечивается прежде всего тем, что уменьшается общая высота слоя насадки в предлагаемой колонне, а, следовательно, и уменьшается гидравлическое сопротивление пропорционально уменьшенной высоте слоя насадки. Но в предлагаемой колонне увеличивается гидравлическое сопротивление дополнительно устанавливаемых распределительных решеток, гидравлическое сопротивление которых может оказаться большим, чем высота слоя насадки, на которую уменьшилась массообменная колонна за счет образования сепарационного пространства над секциями. Однако гидравлическое сопротивление распределительной решетки подобрано таким по величине за счет увеличения свободного сечения решеток, чтобы обеспечить уменьшение общего гидравлического сопротивления массообменной колонны по сравнению с прототипом при сопоставимых условиях. The decrease in hydraulic resistance to the flow of gas (steam) of the proposed mass transfer columns in comparison with the prototype is ensured primarily by the fact that the overall height of the nozzle layer in the proposed column is reduced, and, consequently, the hydraulic resistance is proportional to the reduced height of the nozzle layer. But in the proposed column increases the hydraulic resistance of additionally installed distribution grids, the hydraulic resistance of which may be greater than the height of the layer of the nozzle, which decreased the mass transfer column due to the formation of a separation space above the sections. However, the hydraulic resistance of the distribution lattice is selected so in magnitude due to an increase in the free section of the gratings in order to ensure a decrease in the total hydraulic resistance of the mass transfer column compared to the prototype under comparable conditions.

Уменьшение гидравлического сопротивления решетки 2 обеспечивается за счет наклона решетки и образования просветов по вертикали между ступенями 3 решетки 2. При этом увеличение свободного сечения решетки увеличивается на величину свободного сечения просветов по вертикали между ступенями F_п, которое определяется как тангенс результирующего угла наклона решетки 2
tg(α-γ)=F_п,(1)
α угол наклона решетки 2 к горизонтали, град˙м;
γ угол наклона ступеней к горизонтали, град.The hydraulic resistance of the grating 2 is reduced due to the inclination of the grating and the formation of vertical gaps between the steps 3 of the grating 2. In this case, the increase in the free cross-section of the grating increases by the amount of the free cross-section of the gaps vertically between the steps F _p , which is defined as the tangent of the resulting angle of inclination of the grating 2
tg (α-γ) = F _p , (1)
α the angle of inclination of the lattice 2 to the horizontal, deg;
γ angle of inclination of steps to the horizontal, deg.

Суммарное свободное сечение решетки F_р будет равно
F_р=F_с+ F_п, (2)
где F_с свободное сечение арочных прорезей 5, которое может составить около 35% (0,35 доли).The total free cross section of the lattice F _p will be equal to
F _p = F _s + F _p , (2)
where F _{with a} free cross section of arched slots 5, which can be about 35% (0.35 shares).

Если принять, что F_п=tg(α-γ) может быть равно от 0,15 до 0,2, то суммарное свободное сечение решеток может достигнуть величины F_р=F_с+F_п=0,35+0,2= 0,55, что приближается к свободному объему насадки.If we assume that F _p = tg (α-γ) can be equal to from 0.15 to 0.2, then the total free cross-section of the gratings can reach the value F _p = F _s + F _p = 0.35 + 0.2 = 0.55, which approaches the free volume of the nozzle.

Увеличение удельных нагрузок по жидкости до 100 м³/м²ч и выше не оказывает существенного влияния на повышение гидравлического сопротивления потоку газа (пара), так как свободное сечение решеток 2 в нижней части увеличено за счет установки на нижних ступенях сеток 6 со свободным сечением, приближающимся к единице для слива жидкости.An increase in the specific fluid loads up to 100 m ³ / m ² h and above does not significantly affect the increase in hydraulic resistance to gas (vapor) flow, since the free section of the gratings 2 in the lower part is increased due to the installation of grids 6 with a free section on the lower steps approaching the unit for draining the liquid.

Технические преимущества заявляемой массообменной колонны по сравнению с прототипом заключаются в повышении эффективности массообмена между газом (паром) и жидкостью вследствие увеличения движущей силы процесса при перекрестном движении газа (пара) и жидкости и при отсутствии существенного продольного перемешивания жидкости в диаметральном направлении, а также в увеличении производительности колонны и стабильности режима работы при высоких скоростях газа (пара) за счет наличия сепарационного пространства над слоями насадки на решетках; предлагаемое изобретение повышает четкость разделения колонны и чистоту и качество продуктов разделения, уменьшает необходимое флегмовое число для разделения смесей ректификацией, что выразится в уменьшении расхода тепла (греющего пара из котельной). The technical advantages of the claimed mass transfer columns in comparison with the prototype are to increase the efficiency of mass transfer between gas (vapor) and liquid due to an increase in the driving force of the process with the cross movement of gas (steam) and liquid and in the absence of significant longitudinal mixing of the liquid in the diametrical direction, as well as in increase column performance and stability of operation at high gas (steam) speeds due to the presence of separation space above the nozzle layers on the solution tkah; the present invention improves the clarity of the separation of the column and the purity and quality of the separation products, reduces the necessary reflux ratio for the separation of mixtures by distillation, which will result in a decrease in heat consumption (heating steam from the boiler room).

Claims

A MASS-EXCHANGE RECTANGULAR CROSS COLUMN WITH LOW HYDRAULIC RESISTANCE, including a vertical rectangular cross-sectional casing with tiered perforated gratings along the height of the column and nozzle layers on the gratings, characterized in that the gratings are made in the form of oblique opposite steps in opposite directions , adjacent steps of the gratings in plan overlap one another, the rear and side edges of the steps in the direction of the slope of the grating they have flanges up for fluid retention, each stage of the grating is made with an acute angle slope to the horizontal to the side of the grating inclination, the steps have arched slots convex upward with axes directed towards the slope of the step grating, the lowermost steps of the grating are made in the form of frames, which are stretched mesh with mesh sizes smaller than the geometric dimensions of the nozzle, the steps of the lattice are fixed to each other and rely on two side support rails attached to the walls of the housing, on the steps of the vertical grid flax fitted with a tight transverse elements identical helical laying nozzle height from polymeric materials resistant to the corrosive environment and temperature.