RU2060766C1

RU2060766C1 - Mass-exchange plate

Info

Publication number: RU2060766C1
Authority: RU
Inventors: Иван Петрович Слободяник
Original assignee: Иван Петрович Слободяник
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: contacting devices to provide mass exchange between gaseous (vapor) and liquid phases, and in particular, bubbling plate-type columns for gas rectifying, absorbing, washing, preferentially in column- type apparatuses with high gas (vapor) loads, and small liquid loads. SUBSTANCE: mass-exchange plate of bubbling type has inlet pocket with overflow plank partition installed across flow nearby inlet pocket. Rectangular apertures are originated in the partition, alternating piers. Aperture in the partition is higher than gas-liquid layer on the plate. Ratio of partition width to width of piers alternating apertures is constant taken along partition length. Ratio of total width of all partition apertures to length of overflow plank nearby plate inlet pocket is admitted within limits (1:10) - (1:7). Partition with alternating apertures and piers is equipped with a plank attached to all piers at the lowest partition part. The partition is installed onto the plate in such a manner that lower plank is fit closely to the plate. EFFECT: improved mass exchange between large volume of gas (vapor) and small volumes of liquid. 6 dwg

Description

Изобретение относится к контактным устройствам для осуществления процесса массообмена между газовой (паровой) и жидкой фазами, а более конкретно к барботажным тарельчатым колоннам для проведения процессов ректификации, абсорбции, промывки газом, преимущественно в условиях взаимодействия больших объемов газа (пара) и малыми объемами жидкости. The invention relates to contact devices for carrying out the mass transfer process between the gas (vapor) and liquid phases, and more particularly to bubble column trays for carrying out rectification, absorption, and gas flushing processes, mainly under conditions of interaction of large volumes of gas (steam) and small volumes of liquid.

Известна массообменная тарелка для осуществления контакта между газом (паром) и жидкостью, включающее основание, приемный карман с переливной планкой, сливной карман со сливной планкой, перегородку, установленную поперек потока у приемного кармана, в которой выполнены отверстия прямоугольной формы, чередующиеся с простенками, при этом высота отверстий перегородки более высоты газожидкостного слоя на тарелке, отношение ширины окон к ширине простенков постоянно по длине перегородки, а отношение суммарной ширины всех окон перегородке к длине переливной планки тарелки у приемного кармана равно (1:10)-(1:7). A mass transfer plate is known for making contact between gas (vapor) and a liquid, including a base, a receiving pocket with an overflow bar, a drain pocket with a drain bar, a baffle mounted across the flow at the receiving pocket, in which rectangular holes are made alternating with piers, the height of the partition openings is greater than the height of the gas-liquid layer on the plate, the ratio of the width of the windows to the width of the piers is constant along the length of the partition, and the ratio of the total width of all the windows of the partition to d the line of the plate overflow plate at the receiving pocket is (1:10) - (1: 7).

Известна массообменная тарелка, которая обеспечивает значительное повышение эффективности массообмена барботажных тарелок больших диаметров в условиях работы вакуумной ректификации при очень малых удельных нагрузках по жидкости на периметр слива меньше 2 м³/(м·ч) за счет равномерного распределения жидкости вдоль периметра слива приемного кармана тарелки.Known mass transfer plate, which provides a significant increase in the efficiency of mass transfer of bubbler plates of large diameters under vacuum distillation at very low specific liquid loads on the discharge perimeter of less than 2 m ³ / (m · h) due to the uniform distribution of liquid along the perimeter of the discharge of the receiving pocket of the plate .

Недостатком известной массообменной тарелки является то, что при очень малых удельных нагрузках по жидкости на периметр слива порядка меньше 2 м³/(м·ч) ширина просветов между простенками перегородки очень мала и при изгибе перегородки для придания ей криволинейной формы, а также при монтаже и обслуживании на тарелке простенки могут легко деформироваться, так как они представляют собой длинные пластинки с одним закрепленным концом, в результате чего сечение для прохода жидкости между простенками перегородки может изменяться во много раз, что приводит к резкому нарушению равномерности распределения жидкости по поперечному сечению потока.A disadvantage of the known mass transfer plate is that at very small specific liquid loads on the discharge perimeter of the order of less than 2 m ³ / (m · h), the width of the gaps between the walls of the partition is very small when bending the partition to give it a curved shape, as well as during installation and serving on a plate, the piers can easily be deformed, since they are long plates with one fixed end, as a result of which the cross section for the passage of fluid between the walls of the partition can vary greatly That leads to a dramatic disruption of uniformity of liquid distribution over the cross section of flow.

Цель изобретения интенсификация процесса массообмена между большими объемами газа (пара) и малыми объемами жидкости, соответствующими нагрузками по жидкости на периметр слива порядка 2-3 м³/(м· ч) и ниже, например, в колоннах больших диаметров в условиях вакуумной реактификации за счет предупреждения каналообразования в потоке жидкости на тарелке.The purpose of the invention is the intensification of the mass transfer process between large volumes of gas (steam) and small volumes of liquid, corresponding to liquid loads on the discharge perimeter of the order of 2-3 m ³ / (m · h) and below, for example, in large diameter columns under vacuum reactivation for by preventing channel formation in the fluid flow on the plate.

На фиг.1 изображена тарелка с боковым сливом, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 тарелка с центральным переливом, продольный разрез; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 вид В-В на фиг.2; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг.5. Figure 1 shows a plate with a side drain, a longitudinal section; in FIG. 2 section aa in figure 1; figure 3 plate with a central overflow, a longitudinal section; in FIG. 4 section BB in figure 3; figure 5 view bb in figure 2; in Fig.6 section GG in Fig.5.

Массообменная тарелка устанавливается в вертикальном цилиндрическом корпусе 1 и представляет собой горизонтальную плиту 2 с перфорациями 3 или клапанами 4 для прохода газа (пара) и содержит приемный карман 3 с переливной планкой 6, сливной карман 7 с переливной планкой 8, входную перегородку 9 у приемного кармана 5, симметрично изогнутую с выпуклостью в сторону приемного кармана 5, с вертикальными окнами 10 прямоугольного сечения в нижней части и простенками 11, касающимися боковых стенок колонны, а высоты окон 10 перегородки 9 выше высоты газожидкостного слоя на тарелке, к простенкам 11 в нижней части прикреплена рейка 12, плотно прижатая к плите 2 тарелке. На двухпоточной тарелке (фиг.3 и 4) с центральным приемным карманом и боковыми сливами перегородки 13 имеют прямую форму. The mass transfer plate is installed in a vertical cylindrical housing 1 and is a horizontal plate 2 with perforations 3 or valves 4 for the passage of gas (steam) and contains a receiving pocket 3 with an overflow bar 6, a drain pocket 7 with an overflow bar 8, an inlet wall 9 at the reception pocket 5, symmetrically curved with a bulge towards the receiving pocket 5, with vertical windows 10 of rectangular cross section in the lower part and piers 11 touching the side walls of the column, and the height of the windows 10 of the partition 9 is higher than the height of the gas the bone layer on the plate, to the piers 11 in the lower part is attached a lath 12, tightly pressed to the plate 2 of the plate. On a double-threaded plate (Figs. 3 and 4) with a central receiving pocket and side drains, the partitions 13 have a straight shape.

Массообменная тарелка работает следующим образом. Mass transfer plate works as follows.

Жидкость поступает в приемный карман 5 на плиту 2 тарелки со сливного кармана 7 вышележащей тарелки, переливается через верхние кромки переливной планки 6 на плиту 2 тарелки с перфорациями 3 или клапанами 4, через которые проходит газ (пар), барботирует через слой жидкости, в результате чего происходит тесный контакт и массообмен между газом (паром) и жидкостью. Для равномерного распределения жидкости по всему сечению плиты 2 тарелки при изменении ширины фронта по пути движения жидкости от приемного кармана 5 до сливного кармана 7, которая сначала увеличивается от длины переливной планки 6 до длины диаметра тарелки, а затем уменьшается от длины диаметра тарелки до длины сливной планки 8, служит водная перегородка 9 с вертикальными прямоугольными окнами 10 и простенками 11, прикрепленными к рейке 12, у приемного кармана 5. The liquid enters the receiving pocket 5 on the plate 2 of the plate from the drain pocket 7 of the overlying plate, pours over the upper edges of the overflow plate 6 onto the plate 2 of the plate with perforations 3 or valves 4 through which the gas (steam) passes, sparges through the liquid layer, as a result whereby there is close contact and mass transfer between the gas (vapor) and the liquid. For uniform distribution of fluid over the entire cross section of the plate 2 plates when changing the front width along the path of fluid movement from the receiving pocket 5 to the drain pocket 7, which first increases from the length of the overflow bar 6 to the length of the diameter of the plate, and then decreases from the length of the diameter of the plate to the length of the drain strap 8, serves as a water partition 9 with vertical rectangular windows 10 and piers 11 attached to the rail 12, at the receiving pocket 5.

Так как суммарная ширина окон 10 перегородки 9 намного меньше длины переливной планки 6, то между перегородкой 9 и переливной планкой 6 образуется слой жидкости, выше нижней кромки переливной пленки 6 на некоторую высоту h_ж, которая зависит от нагрузки жидкости на периметр слива L_s, м³/(м·ч), и суммарной ширины окон 10 перегородки Σa В результате жидкость распределяется вдоль перегородки 9 и проходит через все окна 10 малой ширины и равномерно рассредоточено через все окна 10 шириной а распределяется по перечному сечению тарелки 2. Равномерное распределение возможно только в том случае, если над краем перегородки 9 будет создана высота напора жидкости h_ж, как на водосливной пластине.Since the total width of the windows 10 of the partition 9 is much smaller than the length of the overflow bar 6, a layer of liquid forms between the partition 9 and the overflow bar 6, above the lower edge of the overflow film 6 by a certain height h _w , which depends on the load of the liquid on the discharge perimeter L _s , m ³ / (m · h), and the total width of the windows 10 of the partition Σa As a result, the liquid is distributed along the partition 9 and passes through all the windows 10 of small width and evenly distributed through all the windows 10 of the width a and is distributed over the cross section of the plate 2. Uniform distribution distribution is possible only if above the edge of the partition 9 will be created the height of the head of the liquid h _W , as on the spillway.

В колонне с двухпоточными тарелками (фиг.3 и 4) на тарелках с боковыми сливами перегородки 13 у центрального приемного кармана имеют прямолинейную форму, а на тарелках с центральным сливом у боковых приемных карманов перегородки имеют криволинейную форму. In the column with two-threaded plates (FIGS. 3 and 4), on the plates with side drains, the partitions 13 at the central receiving pocket have a straight shape, and on plates with a central drain at the side receiving pockets, the partitions have a curved shape.

В колонне с двухпоточными тарелками (фиг.3 и 4) на тарелке с центральным приемным карманом и с боковыми сливами перегородки 12 имеют прямолинейную форму и жидкость движется на тарелках от центра к периферии, на тарелках с боковыми приемными карманами и с центральным сливом перегородки 9 имеют криволинейную форму и жидкость движется на тарелке от периферии к центру. In a column with two-threaded plates (Figs. 3 and 4) on a plate with a central receiving pocket and with lateral drains, the partitions 12 are rectilinear and the liquid moves on the plates from the center to the periphery, on plates with lateral receiving pockets and with a central drain of the partition 9 curved shape and the liquid moves on a plate from the periphery to the center.

Технические преимущества предлагаемой массообменной тарелки по сравнению с прототипом заключаются в гарантированно строгом соблюдении прогнозируемых геометрических размеров перегородок с окнами и простенками, обеспечивающих повышение эффективности массообмена за счет равномерного распределения жидкости по поперечному сечению потоков на тарелках. The technical advantages of the proposed mass transfer plate in comparison with the prototype are guaranteed strict adherence to the predicted geometric dimensions of partitions with windows and piers, providing an increase in mass transfer efficiency due to the uniform distribution of fluid over the cross-section of flows on the plates.

Общественно полезные преимущества предлагаемого объекта, вытекающие из технических преимуществ, заключаются в повышении четкости разделения колонны, в увеличении концентрации целевых компонентов, или в уменьшении необходимого флегмового числа для достижения заданного состава продуктов разделения, что в конечном итоге приводит к уменьшению расхода греющего водяного пара. The socially useful advantages of the proposed facility, resulting from technical advantages, are to increase the clarity of the separation of the column, to increase the concentration of the target components, or to reduce the necessary reflux ratio to achieve a given composition of separation products, which ultimately leads to a decrease in the consumption of heating water vapor.

Преимущества предлагаемой массообменной тарелки по сравнению с прототипом заключаются в равномерном распределении жидкости по поперечному сечению тарелки на малых нагрузках по жидкости и обеспечении тем самым эффективного процесса тепломассообмена между газом (паром) и жидкостью, а также в том, что повышается эффективность процесса массообмена, разделяющая способность абсорбционных и ректификационных колонн, четкость разделения и чистоты целевых продуктов, уменьшается расход абсорбента в условиях абсорбции или уменьшается необходимое флегмовое число при ректификации, что позволяет уменьшить удельный расход пара на ректификацию, т.е. уменьшить удельные энергетические затраты, что в конечном позволяет снизить себестоимость готовых продуктов и повысить их качество. The advantages of the proposed mass transfer plate in comparison with the prototype are the uniform distribution of the liquid over the cross section of the plate at low liquid loads and thereby providing an efficient heat and mass transfer process between the gas (vapor) and the liquid, and also that the efficiency of the mass transfer process that separates the ability absorption and distillation columns, the clarity of separation and purity of the target products, the consumption of absorbent in the conditions of absorption is reduced or the required a reflux ratio during rectification, which allows to reduce the specific steam consumption for rectification, i.e. reduce specific energy costs, which ultimately allows to reduce the cost of finished products and improve their quality.

На практике снижение эффективности массообмена ректификационных колонн с барботажными тарелками вследствие неравномерности распределения жидкости по поперечному сечению потоков на тарелках компенсируется увеличением флегмового отношения (R_п), что влечет за собой резкое увеличение расхода греющего водяного пара из котельной. Это наглядно видно из упрощенного уравнения теплового баланса ректификационной колонны
D_λ (R+1) G

кг/с (1) где D_λ расход греющего пара на ректификацию, кг/с;
R рабочее флегмовое отношение;
G_d производительность колонны по дистилляту, кг/с;
r_d скрытая теплота испарения дистиллята, Дж/кг;
r _λ- скрытая теплота конденсации греющего водяного пара, Дж/кг.In practice, the decrease in the efficiency of mass transfer of distillation columns with bubble trays due to the uneven distribution of liquid over the cross-section of flows on the plates is compensated by an increase in the reflux ratio (R _p ), which entails a sharp increase in the consumption of heating water vapor from the boiler room. This is clearly seen from the simplified equation of the heat balance of the distillation column
D _λ (R + 1) G

kg / s (1) where D _{λ the} consumption of heating steam for rectification, kg / s;
R working reflux ratio;
G _d distillate column capacity, kg / s;
r _d latent heat of evaporation of the distillate, J / kg;
r _λ is the latent heat of condensation of the heating water vapor, J / kg.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемого технического решения может быть обеспечен за счет уменьшения флегмового отношения и расхода греющего пара вследствие повышения эффективности массообмена ректификационных колонн больших диаметров, обеспеченного более равномерным распределением жидкости на тарелках. The expected economic effect from the implementation of the proposed technical solution can be achieved by reducing the reflux ratio and the consumption of heating steam due to increased mass transfer efficiency of distillation columns of large diameters, provided a more uniform distribution of liquid on the plates.

Применительно к разделению полуфабрикатов производства синтетического каучука С₅ С₆ в ректификационных колоннах со средней молекулярной массой М_с 70 согласно известному правилу Трутона отношение скрытых теплот испарения конденсации равно

0,273 (2)
Принимая исходное среднее рабочее флегмовое отношение для прототипа, равно 5 и уменьшение его на 5% за счет улучшения равномерности и распределения жидкости для предлагаемого объекта повышения эффективности, получим уменьшение расхода греющего пара, рассчитанное на примере при двух флегмовых числах R_п и R_з 0,95 R_п
D_λп (R_п+1) G_d

(3)
D_λз (0,95R_п+1) G_d

(4) где R_п, R_з флегмовое число для прототипа и предлагаемого технического решения;
D _λп, D_λз расход греющего водяного пара для прототипа и предлагаемого технического решения, кг/с.With regard to the separation of semi-finished products of the production of synthetic rubber C ₅ C ₆ in distillation columns with an average molecular weight of M _with 70 according to the well-known Truton rule, the ratio of the latent heats of evaporation of condensation is

0.273 (2)
Taking the initial average working reflux ratio for the prototype equal to 5 and decreasing it by 5% by improving the uniformity and distribution of the liquid for the proposed object to increase efficiency, we obtain a decrease in the consumption of heating steam, calculated as an example with two reflux numbers R _p and R _s 0, 95 R _p
D _λп (R _п +1) G _d

(3)
D _λz (0.95R _p +1) G _d

(4) where R _p , R _s reflux number for the prototype and the proposed technical solution;
D _λп , D _λз flow rate of heating water vapor for the prototype and the proposed technical solution, kg / s

Разность между расходом пара для прототипа и предлагаемого технического решения ΔD_λ определяется по выражению
ΔD_λ D_λп-D_λз (R_п+1)-0,95 R_п-1) G_d

(5)
ΔD_λ 0,05 R_n•G_d

(6)
Для колонн диаметром D_к 2000 мм принимаем
G_d 4 кг/с,

0,273, R_п= 5,
ΔD_λ 0,05 ·5·4 ·0,273 кг/c (7)
Ожидаемый годовой экономический эффект на одной колонне диаметром 3600 мм, может составить ориентировочно
Э 8600 ·3600 · ΔD_λ 10^-3 Ц_λ 8600 ·3,6x x0,273 ·5,7 48000 руб./год (8) где 8600 количество рабочих часов в году;
Ц_λ стоимость 1 т греющего водяного пара из котельной давлением до 0,6 МПа, руб, исходя из стоимости 1 Гкал 7,8 руб.The difference between the steam flow rate for the prototype and the proposed technical solution ΔD _λ is determined by the expression
ΔD _λ D _λп -D _λз (R _p +1) -0.95 R _p -1) G _d

(5)
ΔD _λ 0.05 R _n • G _d

(6)
For columns with a diameter of D _to 2000 mm accept

G

_d 4 kg / s

0.273, R _p = 5,
ΔD _λ 0.05 · 5 · 4 · 0.273 kg / s (7)
The expected annual economic effect on one column with a diameter of 3600 mm can be approximately
Э 8600 · 3600 · ΔD _λ 10 ^-3 C _λ 8600 · 3.6x x0.273 · 5.7 48000 rub./year (8) where 8600 the number of working hours per year;
Ts _{λ the} cost of 1 ton of heating water vapor from the boiler pressure up to 0.6 MPa, rubles, based on the cost of 1 Gcal 7.8 rubles.

Как видно, разделение методом ректификации является очень энергоемким процессом и достижение заданной чистоты разделения увеличением флегмового числа при недостаточной эффективности массообмена колонны по различным причинам, включая и неравномерность распределения жидкости на тарелках, обходится очень дорого. As can be seen, separation by rectification is a very energy-intensive process and achieving the desired separation purity by increasing the reflux ratio with insufficient mass exchange of the column for various reasons, including uneven distribution of liquid on the plates, is very expensive.

Claims

A mass transfer plate for making contact between gas (steam) and a liquid, including a base, a receiving pocket with an overflow bar, a drain pocket with a drain bar, a baffle mounted across the flow at the receiving pocket, which has rectangular openings alternating with piers, while the height of the partition openings is greater than the height of the gas-liquid layer on the plate, the ratio of the width of the windows to the width of the piers is constant along the length of the partition, and the ratio of the total width of all the windows of the partition to the length of the per the plate’s spreader bar at the receiving pocket is 1 10 1 7, characterized in that the partition with alternating windows and piers is equipped with a bottom rail attached to all the piers in the lowest part of the partition, and the partition is mounted on the plate so that the bottom rail is firmly in contact with the plate .