RU219832U1

RU219832U1 - Распределитель дисперсной фазы

Info

Publication number: RU219832U1
Application number: RU2023107615U
Authority: RU
Inventors: Камиль Азаматович Муллабаев; Светлана Константиновна Чуракова
Filing date: 2023-03-28
Publication date: 2023-08-09

Abstract

Полезная модель относится к конструкции распределителя дисперсной фазы в виде внутреннего устройства массообменного аппарата колонного типа. В первую очередь это относится к процессам взаимодействия в системах «жидкость-жидкость». Предлагаемая полезная модель может быть использована в химической технологии, в частности в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Распределитель дисперсной фазы в виде внутреннего устройства колонны состоит из центральной трубы с питанием в средней ее части, ряда боковых распределительных трубок, расположенных симметрично относительно оси центральной трубы, отверстий для выхода дисперсной фазы, при этом в каждой боковой распределительной трубке возле ее торцов высверлено малое отверстие, направленное в противоположную сторону от основных отверстий, имеющее диаметр d<d₀, где d₀ - диаметр отверстий для выхода дисперсной фазы, и расположенное на расстоянии от торца трубки X<Х₀, где Х₀ - расстояние от торца трубы до крайнего отверстия для выхода дисперсной фазы. Технический результат - увеличение эффективности распределения дисперсной фазы, в том числе в области низких нагрузок по дисперсной фазе, а также расширение диапазона эффективной работы распределительного устройства. 3 ил., 2 табл., 2 пр.

Description

Полезная модель относится к конструкции распределителя дисперсной фазы в виде внутреннего устройства массообменного аппарата колонного типа. В первую очередь это относится к процессам взаимодействия в системах «жидкость-жидкость». Предлагаемая полезная модель может быть использована в химической технологии, в частности в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Известно распределительное устройство, включающее в себя одну центральную трубу и ряд боковых распределительных трубок, расположенных симметрично относительно оси питательной трубы. Каждая распределительная трубка имеет ряд отверстий для выхода жидкой фазы. Распределительные трубки выполнены из материала, способного к деформации под действием изменяющегося давления, а в каждой из этих трубок внедрены винты, расположенные строго над отверстиями. Путем изменения подачи жидкости изменяется давление в трубках. В результате деформации распределительных трубок изменяется сечение для прохода жидкости, что приводит к улучшению распределения жидкой фазы за счет выравнивания профиля давления в трубках (патент на изобретение US №3419251, МПК B01D 47/06, B01D 3/008, заявлен 19.10.1966, опубликован 31.12.1968). Недостатком данного изобретения является недостаточная равномерность распределения дисперсной фазы в центральной трубе ввиду ее большой длины, сопоставимой с диаметром аппарата. Это приводит к повышенным потерям давления на трение в центральной трубе, что нарушает равномерное распределение потока в каждую боковую распределительную трубку, а это приводит к снижению эффективности распределения в целом.

Известно распределительное устройство, представляющее собой центральную трубу, а также ряд боковых распределительных трубок, расположенных симметрично относительно оси питательной трубы. Каждая боковая трубка имеет несколько патрубков, предназначенных для равномерного вывода и распределения дисперсной фазы. Конструкция распределителя предусматривает сборку посредством фланцевого соединения. Фиксация распределителя к аппарату осуществляется посредством настенных зажимов или балок (Packed Tower Internals. Каталог внутренних устройств Koch-Glitsch. - Bulletin KGMTIG-3. - 2020. - 31 p.). Данная конструкция распределителя широко используется в промышленных насадочных экстракционных аппаратах для распределения дисперсной фазы. Недостатком данного изобретения является невозможность эффективного распределения дисперсной жидкой фазы в условиях низкой нагрузки по дисперсной фазе.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является распределитель жидкой дисперсной фазы, состоящий из центральной трубы с питанием в средней части трубы и ряда боковых распределительных трубок, расположенных симметрично относительно оси центральной трубы. Каждая распределительная трубка имеет ряд отверстий для выхода жидкой фазы в виде направленных вниз сопел. Это способствует поддержанию одинаковых условий для истечения жидкости, что благоприятно сказывается на распределении (патент на изобретение US №6042090, МПК B01F 3/04, заявлен 07.05.1998, опубл. 28.03.2000). Недостатками данного изобретения являются:

низкая эффективность распределения дисперсной жидкой фазы в условиях низких скоростей потока в боковых распределительных трубках. Подобные условия могут наблюдаться при низкой подаче дисперсной жидкой фазы и/или больших диаметрах боковых распределительных трубок.

сужение диапазона эффективной работы распределительного устройства при увеличении количества отверстий в боковых трубках, вызванное необходимостью увеличения диаметра боковых трубок.

Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание распределительного устройства с достижением следующего технического результата: обеспечение равномерного распределения дисперсной фазы по всему сечению аппарата в условиях низкой нагрузки по дисперсной фазе, что позволит впоследствии более полно использовать полезный объем аппарата для тепло- и массообмена, а также расширение области эффективности работы устройства за счет смещения ее нижней границы в область более низких нагрузок по дисперсной фазе с сохранением верхней границы области.

Указанный технический результат достигается тем, что в распределителе дисперсной фазы в виде внутреннего устройства колонны, состоящем из центральной трубы с питанием в средней ее части, ряда боковых распределительных трубок, расположенных симметрично относительно оси центральной трубы, отверстий для выхода дисперсной фазы, согласно полезной модели, с целью обеспечения эффективного распределения в области низких нагрузок по дисперсной фазе и расширения области эффективной работы распределительного устройства в каждой боковой распределительной трубке возле ее торцов высверлено малое отверстие, направленное в противоположную сторону от основных отверстий, имеющее диаметр d<d₀, где d₀ - диаметр отверстий для выхода дисперсной фазы и расположенное на расстоянии от торца трубки X<Х₀, где Х₀ - расстояние от торца трубы до крайнего отверстия для выхода дисперсной фазы.

Для эффективного вытеснения из трубки сплошной фазы и минимизации расхода дисперсной фазы из малого отверстия последнее целесообразно выполнить диаметром не более 3 мм.

Для предотвращения нежелательного возможного эффекта смачивания поверхности боковых трубок дисперсной фазой и улучшения каплеобразования целесообразно отверстия выполнить в виде сопел.

В зависимости от соотношения плотностей сплошной и дисперсной фаз ориентация внутреннего устройства может отличаться:

1) для систем «жидкость-жидкость» при плотности дисперсной фазы больше плотности сплошной фазы, а также для систем «газ-жидкость» отверстия для выхода дисперсной фазы направлены вниз, а малое отверстие - вверх;

2) для систем «жидкость-жидкость» при плотности дисперсной фазы меньше плотности сплошной фазы отверстия для выхода дисперсной фазы направлены вверх, а малое отверстие - вниз.

На фиг. 1 представлен вид внутреннего устройства сверху. На фиг. 2 представлен вид внутреннего устройства снизу, на фиг. 3 - вертикальный разрез с указанием основных размеров внутреннего устройства.

Распределитель дисперсной фазы содержит питательную трубу 1, соединенную с ней центральную трубу 2, посредством фланца 3, боковые распределительные трубки 4, соединенные с центральной трубой посредством фланцев 5, в каждой из которых имеется ряд отверстий для выхода дисперсной фазы 6, а также малое отверстие 7.

Перераспределитель, показанный на фиг. 1, 2 и 3, предназначен для диспергирования более легкой дисперсной фазы, при этом легкая фаза лучше смачивает материал распределителя, чем тяжелая фаза.

Устройство работает следующим образом. Более легкая дисперсная фаза поступает в питательную трубу 1 и далее равномерно распределяется в центральной трубе 2. Из центральной трубы 2 дисперсная фаза поступает в боковые распределительные трубки 4. Поскольку изначально распределитель дисперсной фазы находится в аппарате, заполненном тяжелой сплошной фазой, по мере движения дисперсной фазы происходит вытеснение сплошной фазы вначале из центральной трубы 2, а затем и из боковых распределительных трубок 4. По мере прохождения через боковые распределительные трубки 4 дисперсная фаза выходит из отверстий 6, равномерно распределяясь по сечению аппарата. Поскольку дисперсная фаза лучше смачивает материал распределителя, по достижении потока крайнего отверстия в боковой трубке все отверстия 6 будут смочены дисперсной фазой. Оставшийся в нижнем краю боковых трубок объем тяжелой сплошной фазы отводится через малое отверстие 7 за счет сил давления потока дисперсной фазы.

Таким образом, малое отверстие 7 обеспечивает практически полное вытеснение тяжелой фазы, что приводит к снижению местного сопротивления потоку дисперсной фазы в боковых трубках. Это приводит к выравниванию профилей давлений в боковых трубках и к более равномерному распределению потока дисперсной фазы в аппарате.

Эффективность заявляемой полезной модели подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В рамках расчетного исследования методами вычислительной гидродинамики в среде ANSYS FLUENT был проведен гидродинамический расчет боковых трубок с тремя отверстиями диаметром 4 мм и шагом между отверстиями 40 мм. Были рассчитаны боковые трубки диаметром 12 и 14 мм стандартной конструкции (без малого отверстия) и конструкции с высверленным малым отверстием диаметром 1,5 мм у торца трубки. В качестве легкой дисперсной фазы было использовано трансформаторное масло (плотность 848 кг/м³, вязкость 0,01475 Па⋅с), в качестве тяжелой сплошной фазы - вода (плотность 998 кг/м³, вязкость 0,001 Па⋅с). Подача дисперсной фазы варьировалась от 0,003 кг/с до 0,012 кг/с, что соответствовало средним скоростям в отверстиях 0,09-0,38 м/с. Оценка эффективности распределения дисперсной фазы в боковых трубках была основана на определении расходов дисперсной фазы, выходящей из каждого отверстия и вычислении показателя эффективности распределения Ф:

где - усредненный массовый расход дисперсной фазы, выходящей из j-oro отверстия; j=1…N, где N - число отверстий в боковой трубке. Чем больше значение показателя эффективности распределения Ф, тем эффективнее распределялся поток дисперсной фазы в трубках.

Для общей оценки эффективности работы боковых трубок распределителей были определены значения показателя Ф при различной подаче масла. Для оценки работы распределителей в условиях низкой нагрузки по дисперсной фазе были определены минимальные расходы дисперсной фазы и соответствующие им средние скорости в отверстиях, при которых достигалось значение Ф=0,85. Результаты расчетов представлены в таблице 1:

Расчет показал, что заявляемая полезная модель обеспечивала более равномерное распределение дисперсной фазы (показатель эффективности распределения Ф в серии расчетов предлагаемой полезной модели оказался в среднем на 5,5-6,5% больше, чем при расчете перераспределителя согласно прототипу). Максимальный прирост эффективности наблюдался при минимальной подаче масла и составил +28%. Расчет также показал, что предлагаемая полезная модель обеспечивала эффективное распределение в большем диапазоне изменения нагрузок по дисперсной фазе. Минимальная загрузка, обеспечивающая эффективность распределения Ф>0,85, для предлагаемой полезной модели оказалась ниже, чем у прототипа (снижение составило до 18,2%).

Пример 2. В среде ANSYS FLUENT на системе «вода-трансформаторное масло» был проведен гидродинамический расчет боковых трубок с пятью отверстиями диаметром 4 мм и шагом между отверстиями 40 мм. Рассчитаны боковые трубки диаметром 14 и 18 мм стандартной конструкции (без малого отверстия) и конструкции с высверленным малым отверстием диаметром 1,5 мм у торца трубки. Подача дисперсной фазы варьировалась от 0,005 кг/с до 0,020 кг/с, что соответствовало средним скоростям в отверстиях 0,09-0,38 м/с. Остальные условия проведения расчета и методика оценки эффективности распределения были аналогичны Примеру 1. Результаты расчетов представлены в таблице 2:

Расчет показал, что заявляемая полезная модель обеспечивала более равномерное распределение дисперсной фазы (показатель эффективности распределения Ф в серии расчетов предлагаемой полезной модели оказался в среднем на 5,5-7,7% больше, чем при расчете перераспределителя согласно прототипу). Максимальный прирост эффективности наблюдался при минимальной подаче масла и составил+40%. Расчет также показал, что предлагаемая полезная модель обеспечивала эффективное распределение в большем диапазоне изменения нагрузок по дисперсной фазе. Минимальная загрузка, обеспечивающая эффективность распределения Ф>0,85, для предлагаемой полезной модели оказалась ниже, чем у прототипа (снижение составило до 55,3%).

Таким образом, заявляемый распределитель дисперсной фазы в виде внутреннего устройства колонного аппарата позволяет достичь большей эффективности распределения, особенно в области низких нагрузок по дисперсной фазе. Это позволяет расширить диапазон эффективной работы распределительного устройства со смещением нижней границы диапазона в область более низких нагрузок и сохранением эффективной работы при высоких нагрузках.

Claims

Распределитель дисперсной фазы в виде внутреннего устройства колонны, состоящий из центральной трубы с питанием в средней ее части, ряда боковых распределительных трубок, расположенных симметрично относительно оси центральной трубы, отверстий для выхода дисперсной фазы, отличающийся тем, что в каждой боковой распределительной трубке возле ее торцов высверлено малое отверстие, направленное в противоположную сторону от основных отверстий, имеющее диаметр d<d₀, где d₀ - диаметр отверстий для выхода дисперсной фазы, и расположенное на расстоянии от торца трубки X<Х₀, где Х₀ - расстояние от торца трубы до крайнего отверстия для выхода дисперсной фазы.