RU2036682C1

RU2036682C1 - Mass exchanging column for high specific loads of liquids

Info

Publication number: RU2036682C1
Application number: RU92012333A
Authority: RU
Inventors: И.П. Слободяник
Original assignee: Кубанский государственный технологический университет
Priority date: 1992-12-16
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 1995-06-09

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: column has vertical round- section apparatus inside of which punched grates are installed in tiers to make an acute angle with a horizontal plane in an alternative order to oppose each other. The holes of grates are made in the form of arch slits with their axes directed toward the slope of grates. The lower part of each grate carries a meshed segment whose cell is smaller than the size of nozzles for draining liquid down on the lower grate. EFFECT: higher efficiency. 7 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 отраслей 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 и особенно в колоннах больших диаметров при высоких удельных нагрузках по жидкости. A mass transfer column is known, including a vertical cylindrical body, supporting distribution grilles, a nozzle layer on each distribution grill, a device for redistributing liquid under intermediate grilles [1] A disadvantage of the known mass transfer column is the insufficient mass transfer efficiency due to uneven distribution of liquid over the cross section of the nozzle layer in a column depending on the diameter of the column and especially in columns of large diameters at high specific n fluid loading.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка [2] Недостатком известной массообменной колонны при взаимодействии газа (пара) с большими объемами 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 эффективности массобмена, что, как известно, является минимально возможной эффективностью массобмена. The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a mass transfer column, including a vertical circular apparatus, inside which perforated gratings are mounted on a belt, on which the nozzle layers are located [2]. A disadvantage of the known mass transfer column during the interaction of gas (steam) with large volumes of liquid is uneven distribution of fluid over the cross-section of the column at different heights of the nozzle layer above the distribution grid and throughout the entire cross-section of the grating, as a result of which the mass transfer efficiency of the nozzle layer on the grating is equal to the local mass transfer efficiency, which, as you know, is the minimum possible mass transfer efficiency.

Цель изобретения повышение эффективности массообмена при взаимодействии между большими объемами газа (пара) и малыми объемами жидкости за счет организованного направленного движения жидкости в слое насадки на решетке по модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости так, чтобы слив жидкости через сегменты решеток, выполненных из сеток, происходил сосредоточенно через сетки, а не рассредоточенно по всему сечению решетки. The purpose of the invention is to increase the efficiency of mass transfer during the interaction between large volumes of gas (steam) and small volumes of liquid due to the organized directional movement of the liquid in the nozzle layer on the grate according to the model of ideal displacement in the horizontal plane so that the liquid is drained through the grating segments made of nets concentrated through the grid, and not dispersed throughout the cross-section of the lattice.

Достигается это тем, что, в массообменной колонне для больших удельных нагрузок по жидкости, включающей вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка, перфорированные решетки установлены наклонно под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона решеток, перфорированные решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концам которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплен упорный винт, проходящий свободно в отверстие другой пластины, по обе стороны которой на упорный винт навинчены гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину и распорное эллиптическое кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны, ось упорного винта распорного эллиптического кольца смещена внутрь окружности распорного кольца и вниз относительно плоскости распорного кольца, в нижней части каждой решетки выполнены сегменты из сеток, ячейка которых имеет размеры меньше геометрических размеров элементов насадки для слива жидкости на нижерасположенную решетку. This is achieved by the fact that, in a mass transfer column for large specific fluid loads, including a vertical circular apparatus, inside which perforated grids are mounted on a belt, on which nozzle layers are located, perforated grids are mounted obliquely at an acute angle to the horizontal, alternately in diametrically opposite sides, perforations of the gratings are made in the form of arched slots with a convexity upwards with axes directed towards the inclination of the gratings, perforated gratings are mounted on elliptical split rings, to the ends of which thrust plates are attached, to one of which a thrust screw is attached, passing freely into the hole of the other plate, on both sides of which nuts are screwed onto the thrust screw so that the nut between the thrust plates is screwed into the plate and the spacer the elliptical ring is tightly pressed against the inner walls of the column, the axis of the thrust screw of the spacer elliptical ring is shifted inward to the circumference of the spacer ring and downward relative to the plane of the spacer ring, in the lower part each lattice segments are made of mesh, the cell having a size smaller geometric size packing elements overflow onto the underlying lattice.

На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез массообменной колонны; на фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез по В-В на фиг. 2; на фиг. 5 разрез по Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 разрез по Д-Д на фиг. 5; на фиг. 7 вид по Е-Е на фиг. 5. In FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a mass transfer column; in FIG. 2 is a section along AA in FIG. 1; in FIG. 3 section BB in FIG. 2; in FIG. 4 a section along BB in FIG. 2; in FIG. 5 is a section along G-D in FIG. 1; in FIG. 6 is a section along DD in FIG. 5; in FIG. 7 is a view along EE in FIG. 5.

Массообменная колонна содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с поярусно установленными по высоте перфорированными решетками 2, наклоненными под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток 2 выполнены в виде арочных прорезей 3 с осями, направленными в сторону наклона решеток 2, решетки 2 опираются на распорные эллиптические разрезные кольца 4, к концам которых прикреплены упорные пластины 5 и 6, к одной 5, из которых прикреплен упорный винт 7, проходящий свободно в отверстие другой пластины 6, по обе стороны которой на упорный винт 7 навинчены гайки 8 и 9 так, что гайка 8 между упорными пластинами навинчена до упора в пластину 6 и распорное эллиптическое кольцо 4 плотно прижато к внутренним стенкам колонны 1, в результате чего кольцо 4 может принимать опорные нагрузки решетки 2 со слоем насадки. Ось упорного винта 7 распорного эллиптического кольца 4 смещена внутрь окружности распорного кольца 4 и вниз относительно плоскости распорного кольца 4. На каждую перфорированную решетку 2 засыпан слой насадки 10. В нижней части каждой решетки 2 для слива жидкости на нижерасположенную решетку 2 выполнены сегменты из сеток 11, ячейки которых имеют размеры меньше геометрических размеров элементов насадки 10. При использовании эллиптических распорных колец в качестве опор для решеток 2 не потребуются какие-либо крепежные элементы на внутренних стенках колонны, что значительно упрощает конструкцию колонны, а также монтаж решеток и засыпку слоя насадки 10 на решетки 2. The mass transfer column contains a vertical cylindrical body 1 with perforated gratings 2 arranged in tiered belts, tilted at an acute angle to the horizontal, alternately diametrically opposite sides, the perforations of the gratings 2 are made in the form of arched slots 3 with axes directed toward the tilting of the gratings 2, the gratings 2 are supported on spacer elliptical split rings 4, to the ends of which thrust plates 5 and 6 are attached, to one 5, of which a thrust screw 7 is attached, passing freely into the hole of the other plate 6, on both sides of which the nuts 8 and 9 are screwed onto the stop screw 7 so that the nut 8 between the stop plates is screwed completely into the plate 6 and the spacer elliptical ring 4 is tightly pressed against the inner walls of the column 1, as a result of which the ring 4 can take supporting loads of the grill 2 with a nozzle layer. The axis of the thrust screw 7 of the spacer elliptical ring 4 is shifted inwardly around the circumference of the spacer ring 4 and downward relative to the plane of the spacer ring 4. A layer of nozzle 10 is sprinkled on each perforated grate 2. In the lower part of each grate 2, segments of grids 11 are made to drain the lower grate 2 , the cells of which are smaller than the geometric dimensions of the nozzle elements 10. When using elliptical spacer rings as supports for the gratings 2, no fasteners on the internal Tenkai columns, which greatly simplifies the design of the column, as well as assembling and filling lattices nozzle layer 10 on the array 2.

Массообменная колонна работает следующим образом. Mass transfer column operates as follows.

Газ (пар) поступает в корпус колонны 1 снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 решеток 2 и слой насадки 10, контактируя с жидкостью, находящейся на решетке 2 со слоем насадки, причем жидкость поступает на приподнятую часть самой верхней решетки 2 со слоем насадки 10 и стекает в диаметральном направлении в сторону уклона решетки 2, откуда через арочные прорези 3 решетки 2 стекает на слой насадки 10 в самой приподнятой части нижерасположенной решетки 2 и т.д. Жидкость движется в слое насадки 10 на решетке 2 под действием сил тяжести и наклона решетки 2, а также под действием потока струй газа (пара), выходящих из арочных прорезей 3 решетки 2, направленных в сторону наклона решетки, при этом при прохождении газа (пара) через арочные прорези 3 жидкость не может через эти прорези сливаться с решетками 2, в результате под действием всех сил жидкость движется только в направлении наклона решетки 2 по модели, близкой к модели идеального вытеснения в плоскости, параллельной плоскости решетки, или в горизонтальной плоскости, так как острый угол наклона решеток к горизонтали невелик. В самой нижней части решетки 2 жидкость стекает вниз через сегмент из сетки 11, свободное сечение которой намного больше чем арочных прорезей 3 решетки 2, что обеспечивает надежную работу при очень больших удельных нагрузках по жидкости, как то в условиях экстрактивной и азеотропной ректификации. В результате происходит упорядоченное распределение потоков газа (пара) и жидкости в слоях насадки 10 на наклонных решетках 2, причем газ (пар) движется через слой насадки на решетках 2 по модели идеального вытеснения, а жидкость движется попеременно в диаметрально противоположных направлениях на смежных решетках 2 по модели, близкой к модели идеального вытеснения в горизонтальной плоскости при полном перемешивании жидкости по высоте слоя насадки 10 на решетке 2, при этом, как известно, достигается максимальная эффективность массообмена контактной ступени. Gas (steam) enters the casing of the column 1 from the bottom and moves upward, passes through the arched slots 3 of the grating 2 and the layer of the nozzle 10, in contact with the liquid located on the grating 2 with the layer of the nozzle, and the liquid enters the raised part of the topmost grate 2 with a layer nozzles 10 and flows in the diametrical direction towards the slope of the lattice 2, from where it flows through the arched slots 3 of the lattice 2 onto the layer of the nozzle 10 in the most elevated part of the lower lattice 2, etc. The fluid moves in the nozzle layer 10 on the grate 2 under the influence of gravity and tilt of the grate 2, as well as under the action of a stream of gas jets (steam) coming out of the arched slots 3 of the grate 2, directed towards the tilt of the grate, while passing gas (steam ) through the arched slots 3, the liquid cannot merge through the slots with the gratings 2, as a result, under the action of all forces, the liquid moves only in the direction of inclination of the grating 2 according to a model close to the model of ideal displacement in a plane parallel to the plane of the grating, or horizontally n plane, since the acute angle of inclination of the gratings to the horizontal is small. In the lowest part of the grating 2, the liquid flows down through a segment from the grid 11, the free cross section of which is much larger than the arched slots 3 of the grating 2, which ensures reliable operation at very high specific loads on the liquid, such as in the conditions of extractive and azeotropic distillation. As a result, there is an ordered distribution of gas (vapor) and liquid flows in the nozzle layers 10 on the inclined gratings 2, and the gas (steam) moves through the nozzle layer on the gratings 2 according to the ideal displacement model, and the fluid moves alternately in diametrically opposite directions on adjacent gratings 2 according to a model close to the model of ideal displacement in the horizontal plane with complete mixing of the liquid along the height of the nozzle layer 10 on the lattice 2, while, as is known, the maximum mass transfer efficiency is achieved tact steps.

Наряду с повышением эффективности массообмена предлагаемой массообменной колонны по сравнению с прототипом обеспечивается также увеличение производительности по газу (пару) и жидкости за счет наличия сепарационного пространства над слоями насадки 10 на решетках, в результате чего скорость газа (пара) в полном сечении может быть выше, чем в обычной насадочной колонне в условиях эмульгирования при сопоставимых условиях, что кроме того во всех случаях без исключения подтверждено экспериментально. Along with increasing the efficiency of mass transfer of the proposed mass transfer columns in comparison with the prototype, an increase in gas (steam) and liquid productivity is also provided due to the presence of separation space above the nozzle layers 10 on the gratings, as a result of which the gas (steam) velocity in the full cross section can be higher than in a conventional packed column under emulsification under comparable conditions, which is also experimentally confirmed in all cases without exception.

Технические преимущества предлагаемой массообменной колонны 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. The technical advantages of the proposed mass transfer columns are to increase the efficiency of mass transfer between gas (vapor) and liquid due to an increase in the driving force of the process during the cross-movement of gas (steam) and liquid and in the absence of significant longitudinal mixing of the liquid in the diametric direction, as well as in an increase in column productivity and stability operating conditions at high gas (vapor) velocities due to the presence of separation space above the nozzle layers on the gratings.

Общественно-полезные преимущества предлагаемого изобретения заключаются в повышении четкости разделения колонны и, следовательно, повышении чистоты и качества продуктов разделения, или в уменьшении необходимого флегмового числа для разделения смесей ректификацией, что выразится в уменьшении расхода тепла (греющего водяного пара из котельной). The socially useful advantages of the present invention are to increase the clarity of the separation of the column and, therefore, to increase the purity and quality of the separation products, or to reduce the necessary reflux ratio for the separation of mixtures by distillation, which will result in a decrease in heat consumption (heating water vapor from the boiler room).

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и соответствующего уменьшения расхода водяного пара из котельной, возможным в результате более высокой эффективности массообмена колонны. The expected economic effect from the implementation of the invention can be achieved by reducing the reflux ratio and a corresponding reduction in the consumption of water vapor from the boiler room, which is possible as a result of a higher mass transfer efficiency of the column.

Экономическую выгоду предлагаемой массообменной колонны можно проиллюстрировать на примере разделения эталонной смеси бензол-толуол при условии повышения эффективности разделения предлагаемой колонны на 10% по сравнению с прототипом. The economic benefits of the proposed mass transfer columns can be illustrated by the example of separation of the reference mixture of benzene-toluene, provided that the separation efficiency of the proposed columns is increased by 10% compared with the prototype.

Согласно выполненного расчета расход греющего водяного пара в кипятильнике давлением 0,32 МПа составляет 2460 кг/ч для непрерывной ректификации 15000 кг/ч исходной смеси бензол-толуол при атмосферном давлении при концентрациях исходной смеси 45, дистиллята 96 и кубового остатка 1,2 мас. количество необходимых теоретических тарелок равно 14 при рабочем флегмовом отношении R_n 2,49, минимальное флегмовое отношение равно R_min 1,247. Повышение эффективности массообмена колонны на 10% соответствует увеличенному числу теоретических тарелок, равному 15,4. Такая эффективность при заданных тех же концентрациях целевых продуктов обеспечивается при меньшем флегмовом отношении, равном R₃ 2,2.According to the calculation, the flow rate of heating water vapor in a boiler with a pressure of 0.32 MPa is 2460 kg / h for continuous distillation of 15,000 kg / h of the initial mixture of benzene-toluene at atmospheric pressure at a concentration of the initial mixture of 45, distillate 96 and bottoms of 1.2 wt. the number of necessary theoretical plates is 14 with a working reflux ratio R _{n of} 2.49, the minimum reflux ratio is R _min 1,247. An increase in the mass transfer efficiency of the column by 10% corresponds to an increased number of theoretical plates equal to 15.4. Such efficiency at given the same concentrations of the target products is provided with a lower reflux ratio equal to R ₃ 2.2.

Уменьшение количества греющего пара определяется по модифицированному уравнению теплового баланса для двух рассмотренных вариантов
D_λп=

4300 кг/ч (1)
D_λз=

4140 кг/ч (2)
где D

, D

количество водяного пара, расходуемое при флегмовых числах R_п и R_з соответственно, т.е. для прототипа и заявляемого объекта, кг/ч;
G_d количество отбираемого дистиллята, кг/ч;
r

скрытая теплота конденсации водяного пара, Дж/кг.The decrease in the amount of heating steam is determined by the modified heat balance equation for the two options considered
D _λп =

4300 kg / h (1)
D _λз =

4140 kg / h (2)
where D

, D

the amount of water vapor consumed at reflux numbers R _p and R _s respectively, i.e. for the prototype and the claimed object, kg / h;
G _{d the} amount of distillate taken, kg / h;
r

latent heat of condensation of water vapor, J / kg.

Экономия водяного пара на одной колонне составляет
ΔD

D

4300 4140 160 кг/ч. (3) Стоимость сэкономленного водяного пара на одной колонне составляет
q

0,8 руб/ч (4)
где λ_s энтальпия греющего водяного пара, Дж/кг;
Ц

стоимость количества тепла в гигакаллориях для местных условий, 7 руб 81 коп в ценах до 1985.Saving water vapor per column is
ΔD

D

4300 4140 160 kg / h. (3) The cost of saved water vapor per column is
q

0.8 rub / h (4)
where λ _{s is the} enthalpy of heating water vapor, J / kg;
Ts

the cost of the amount of heat in gigacallories for local conditions, 7 rubles 81 kopecks in prices until 1985.

Для осуществления предлагаемой массообменной колонны для больших удельных нагрузок по жидкости в настоящее время в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии кафедры ТОПП изготовлены опытные колонны с решетками диаметром 300, 400, 600 и 800 мм для проведения широких исследований гидродинамики и массопередачи в условиях десорбции аммиака из воды в воздух в широких пределах нагрузок по газу и жидкости. To implement the proposed mass transfer columns for large specific loads on the liquid, experimental columns with gratings of 300, 400, 600 and 800 mm in diameter have been manufactured at the laboratory of processes and apparatuses of the chemical technology of the Department of Industrial and Commercial Use to conduct extensive studies of hydrodynamics and mass transfer under conditions of desorption of ammonia from water into the air over a wide range of gas and liquid loads.

Claims

MASS-EXCHANGE COLUMN FOR LARGE SPECIFIC LOADS OF LIQUID, including a vertical apparatus of circular cross-section, inside which perforated gratings are belly mounted, on which nozzle layers are located, characterized in that the perforated gratings are mounted obliquely at an acute angle to the horizontal, alternately opposite diametrically opposed sides are made, perforated in the form of arched slots with a convexity upwards with axes directed towards the inclination of the gratings, perforated gratings are mounted on spacers elliptical split rings to the ends of which thrust plates are attached, to one of which a thrust screw is attached, passing freely into the hole of the other plate, on both sides of which nuts are screwed onto the thrust screw so that the nut between the thrust plates is screwed into the plate and the elliptical spacer the ring is tightly pressed against the inner walls of the column, the axis of the thrust screw of the spacer elliptical ring is offset inside the circumference of the spacer ring and downward relative to the plane of the spacer ring, in the lower part of th lattice segments are made of mesh, which cells have a size smaller than the nozzle geometric sizes of elements for discharging the liquid onto the underlying lattice.