RU2807571C1

RU2807571C1 - Column mass transfer apparatus

Info

Publication number: RU2807571C1
Application number: RU2022110205A
Authority: RU
Inventors: Василий Васильевич Трифонов
Original assignee: Василий Васильевич Трифонов
Filing date: 2022-04-15
Publication date: 2023-11-16

Abstract

FIELD: mass transfer equipment.

SUBSTANCE: column mass transfer apparatus comprises a cylindrical body having a bottom part, a cylindrical upper part; connected to the body: fluid supply means located in the upper part of the body; liquid withdrawal means located in the bottom part of the body; gas supply means located in the bottom part of the body; gas withdrawal means located in the upper part of the body; contact trays with caps for the passage of gas and liquid, located above the bottom of the body; two structured packings installed above the trays, having mesh elements fixed obliquely to the axis of the apparatus, while the gas supply means are located protruding in the centre of the bottom part of the body at a ratio of the diameter of the cone-shaped cover to the diameter of the body, which is in the range of 0.5-0.75, with a cone angle, while the cone-shaped cover has holes with a diameter in the range of 2.5-5.0 mm.

EFFECT: increase in specific mass transfer coefficient and, as a result, decrease in the height of the column.

3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к колонным массообменным аппаратам и может найти применение в газовой, нефтяной, химической и смежных отраслях промышленности при осуществлении массообменных процессов ректификации, дистилляции, абсорбции для систем «газ - жидкость», «пар - жидкость», например, для газоочистки, атмосферной перегонки нефти, разделения сжиженного воздуха на фракции, разделения бинарных смесей «бензол - толуол», «спирт - вода» и тому подобных.The invention relates to columnar mass transfer devices and can find application in gas, oil, chemical and related industries when carrying out mass transfer processes of rectification, distillation, absorption for gas-liquid, steam-liquid systems, for example, for gas purification, atmospheric distillation oil, separation of liquefied air into fractions, separation of binary mixtures “benzene - toluene”, “alcohol - water” and the like.

Известна распределительная тарелка для колонны обмена между газом и жидкостью с дефлектором жидкости, колонна обмена теплом и использование колонны (патент RU №2682606 от 20.01.2015), при этом колонна обмена теплом и/или массой между газом и жидкостью, в которой два флюида вступают в контакт посредством структурированной насадки, а колонна содержит, по меньшей мере, одну распределительную тарелку в соответствии с изобретением для распределения указанных флюидов на указанную структурированную насадку. Средства распределения жидкости в колонне ориентированы по существу перпендикулярно направлению пластин верхнего слоя указанной структурированной насадки, в поперечной плоскости.A distribution plate for an exchange column between gas and liquid with a liquid deflector, a heat exchange column and the use of a column are known (patent RU No. 2682606 dated January 20, 2015), while the heat and/or mass exchange column between gas and liquid, in which two fluids enter into contact by means of a structured packing, and the column contains at least one distribution tray in accordance with the invention for distributing said fluids to said structured packing. The liquid distribution means in the column are oriented substantially perpendicular to the direction of the plates of the upper layer of said structured packing, in a transverse plane.

Недостатком данной колонны является то, что конструктив самой тарелки не используется в процессе массообмена, но оказывает высокое сопротивление газовому потоку.The disadvantage of this column is that the structure of the tray itself is not used in the mass transfer process, but has high resistance to the gas flow.

Известен колонный массообменный аппарат (патент RU №2297266 от 11.03.2005, прототип), содержащий штуцера подачи и отбора газа и жидкости, контактные тарелки с каналами для прохода фаз и расположенные на опорных элементах над тарелками, по меньшей мере, две перекрещивающиеся объемные насадки, при этом насадки расположены над тарелками выше уровня жидкости, выполнены со свободным объемом 75-96% при удельной поверхности 100-250 м²/м³.A columnar mass transfer apparatus is known (patent RU No. 2297266 dated March 11, 2005, prototype) containing fittings for supplying and extracting gas and liquid, contact trays with channels for the passage of phases and at least two intersecting volumetric nozzles located on support elements above the trays, in this case, the nozzles are located above the plates above the liquid level, made with a free volume of 75-96% with a specific surface of 100-250 m ² /m ³ .

Недостатком данного колонного массообменного аппарата является пониженная зависимость коэффициента массопередачи от удельной поверхности насадки, и, как следствие, пониженная эффективность массообмена в колонне и повышенная высота колонны.The disadvantage of this columnar mass transfer apparatus is the reduced dependence of the mass transfer coefficient on the specific surface area of the packing, and, as a consequence, reduced efficiency of mass transfer in the column and increased column height.

Техническая задача изобретения - повышение удельного коэффициента массопередачи, и, как следствие, увеличение эффективности массообмена в аппарате и уменьшение высоты колонны.The technical objective of the invention is to increase the specific mass transfer coefficient, and, as a result, increase the efficiency of mass transfer in the apparatus and reduce the height of the column.

Техническая задача повышения удельного коэффициента массопередачи решена в конструкции колонного массообменного аппарата, содержащего цилиндрический корпус, имеющий донную часть и верхнюю часть; подсоединенные к корпусу: средства подачи жидкости, расположенные в верхней части корпуса, средства отбора жидкости, расположенные в донной части корпуса, средства подачи газа, расположенные в донной части корпуса, средства отбора увлажненного газа, расположенные в верхней части корпуса; контактную тарелку с колпачками для прохода газа и жидкости, расположенную над донной частью корпуса; по меньшей мере, две регулярные объемные насадки, установленные над тарелкой, имеющие сетчатые элементы, закрепленные наклонно к оси аппарата, при этом средства подачи газа под тарелку расположены выступающими по центру донной части корпуса и имеют присоединенное к ним или корпусу устройство распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки с углом конуса, при соотношении диаметра конусообразной крышки к диаметру корпуса, находящемся в интервале 0,5…0,75, при этом в конусообразной крышке имеются отверстия диаметром, находящимся в интервале 2,5 мм…5,0 мм.The technical problem of increasing the specific mass transfer coefficient is solved in the design of a columnar mass transfer apparatus containing a cylindrical body having a bottom part and an upper part; connected to the housing: liquid supply means located in the upper part of the housing, liquid selection means located in the bottom part of the housing, gas supply means located in the bottom part of the housing, humidified gas selection means located in the upper part of the housing; a contact plate with caps for the passage of gas and liquid, located above the bottom of the housing; at least two regular volumetric nozzles installed above the plate, having mesh elements fixed obliquely to the axis of the apparatus, while the gas supply means under the plate are located protruding in the center of the bottom part of the housing and have a gas distribution device throughout the volume of the apparatus attached to them or the housing in the form of a cone-shaped cover with a cone angle, with the ratio of the diameter of the cone-shaped cover to the diameter of the body being in the range of 0.5...0.75, while the cone-shaped cover has holes with a diameter in the range of 2.5 mm...5.0 mm.

Техническая задача повышения удельного коэффициента массопередачи решена за счет следующей совокупности отличительных признаков: регулярная объемная насадка имеет каркас, закрепленные в каркасе плоские сетчатые элементы, установленные под углом к газовому потоку, выбираемым из интервала 21°÷30°, при этом каркас насадки имеет сетчатую структуру и состоит из материала высокой прочности, а сетчатые элементы изготовлены из нитей полимерного или композиционного материала и имеют ячейки в форме четырехугольника размером, выбираемым из интервала: 2,5 мм ÷ 5 мм × 2,5 мм ÷ 5 мм; для уменьшения или полного предотвращения брызгоуноса на верхнюю тарелку плоские сетчатые элементы в смежных насадках установлены с наклоном под противоположными углами к направлению газового потока; для обеспечения равномерности подачи газа к нижней тарелке и, следовательно, более стабильной работы нижней тарелки с одинаковой степенью барботажа газа по всей площади тарелки, средства подачи газа под тарелку расположены выступающими по центру донной части корпуса и имеют присоединенное к ним или корпусу устройство распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки с углом конуса, при соотношении диаметра конусообразной крышки к диаметру корпуса, находящемся в интервале 0,5…0,75, при этом в конусообразной крышке имеются отверстия диаметром, находящимся в интервале 2,5 мм…5,0 мм.The technical problem of increasing the specific mass transfer coefficient is solved due to the following set of distinctive features: a regular volumetric nozzle has a frame, flat mesh elements fixed in the frame, installed at an angle to the gas flow, selected from the interval 21°÷30°, while the nozzle frame has a mesh structure and consists of a high-strength material, and the mesh elements are made of threads of a polymer or composite material and have cells in the shape of a quadrangle with a size selected from the range: 2.5 mm ÷ 5 mm × 2.5 mm ÷ 5 mm; to reduce or completely prevent splash transfer onto the upper plate, flat mesh elements in adjacent nozzles are installed with an inclination at opposite angles to the direction of the gas flow; To ensure uniform gas supply to the lower plate and, therefore, more stable operation of the lower plate with the same degree of gas bubbling over the entire area of the plate, the gas supply means under the plate are located protruding in the center of the bottom part of the housing and have a gas distribution device attached to them or the housing the volume of the apparatus in the form of a cone-shaped cover with a cone angle, with the ratio of the diameter of the cone-shaped cover to the diameter of the body being in the range of 0.5...0.75, while the cone-shaped cover has holes with a diameter in the range of 2.5 mm...5.0 mm.

Данная совокупность отличительных признаков колонного массообменного аппарата не найдена в процессе патентно-информационного поиска, следовательно, его конструкция соответствует критерию «новизна». Она также не следует явно из уровня техники, соответственно, конструкция соответствует критерию «изобретательский уровень».This set of distinctive features of a columnar mass transfer apparatus was not found in the process of patent information search, therefore, its design meets the “novelty” criterion. It also does not clearly follow from the prior art; accordingly, the design meets the “inventive step” criterion.

На фиг. 1 показан колонный массообменный аппарат с одним блоком, включающим тарелку и две регулярные объемные насадки.In fig. Figure 1 shows a columnar mass transfer apparatus with one block, including a plate and two regular volumetric packings.

На фиг. 2 - вид А на фиг. 1.In fig. 2 - view A in Fig. 1.

На фиг. 3 показан колонный массообменный аппарат с двумя блоками, каждый из которых включает тарелку и две регулярные объемные насадки.In fig. Figure 3 shows a columnar mass transfer apparatus with two blocks, each of which includes a plate and two regular volumetric packings.

На фиг. 4 показана конструкция регулярной объемной насадки колонного массообменного аппарата.In fig. Figure 4 shows the design of a regular volumetric packing of a column mass transfer apparatus.

На фиг. 4а - внешний вид сетчатого элемента регулярной объемной насадки.In fig. 4a - appearance of the mesh element of the regular volumetric nozzle.

На фиг. 5 - экспериментальные данные зависимости коэффициента массопередачи от удельной поверхности насадки при изменяющемся расходе жидкости.In fig. 5 - experimental data on the dependence of the mass transfer coefficient on the specific surface of the nozzle with varying fluid flow.

На фиг. 6 - экспериментальные данные зависимости коэффициента массопередачи от расхода жидкости.In fig. 6 - experimental data on the dependence of the mass transfer coefficient on liquid flow.

На фиг. 7 - зависимость удельной поверхности насадки от размера стороны ячейки сетчатого элемента.In fig. 7 - dependence of the specific surface area of the nozzle on the side size of the mesh element cell.

Колонный массообменный аппарат (фиг. 1-4) имеет донную часть 1, цилиндрическую верхнюю часть 2, корпус 3 и подсоединенные к нему: средства 4 подачи жидкости, расположенные в верхней части аппарата; средства 5 отбора жидкости, расположенные в донной части 1 корпуса 3; средства 6 подачи газа, расположенные в донной части 1 корпуса 3; средства 7 отбора увлажненного газа, расположенные в верхней части 2 аппарата; контактные тарелки 8 с колпачками 9 для прохода газа и жидкости, расположенные над донной частью 1 аппарата; регулярные объемные насадки 10а и 10b, установленные над тарелкой 8, имеющие сетчатые элементы 11, закрепленные наклонно к оси аппарата, при этом средства 6 подачи газа под тарелку 8 расположены выступающими по центру донной части 1 аппарата и имеют присоединенное к корпусу 3 или средствам 6 подачи газа устройство 12 распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки 13 с эффективным углом конуса а, находящимся в интервале α=(30°…55°) (по результатам проведенного моделирования устройства распределения газа по объему аппарата в форме конусообразной крышки 13, фиг. 1) при соотношении диаметра конусообразной крышки 13 к диаметру корпуса 3, находящемся в интервале 0,5…0,75, при этом в конусообразной крышке 13 имеются отверстия 14 (фиг. 2) диаметром, находящимся в интервале 2,5 мм…5,0 мм. Конусообразная крышка 13 с отверстиями изготавливается из стального перфорированного оцинкованного листа толщиной от 1 до 2 мм https://stal-kom.ru/list-perforirovannyy-otsinkovannyy-razmery/. В связи с незначительным влиянием диаметра отверстия 14 на скорость прохождения газа и жидкости. Отверстия 14 данного диаметра пробивают в листе вышеуказанной толщины, что позволяет существенно снизить стоимость листа в сравнении с листами с отверстиями 14 другого диаметра, выполненными на станках с ЧПУ.The column mass transfer apparatus (Fig. 1-4) has a bottom part 1, a cylindrical upper part 2, a housing 3 and connected to it: liquid supply means 4 located in the upper part of the apparatus; liquid selection means 5 located in the bottom part 1 of housing 3; gas supply means 6 located in the bottom part 1 of the housing 3; means 7 for selecting humidified gas, located in the upper part 2 of the apparatus; contact plates 8 with caps 9 for the passage of gas and liquid, located above the bottom part 1 of the apparatus; regular volumetric nozzles 10a and 10b installed above the plate 8, having mesh elements 11, fixed obliquely to the axis of the device, while the gas supply means 6 under the plate 8 are located protruding in the center of the bottom part 1 of the device and are attached to the body 3 or supply means 6 gas device 12 for distributing gas throughout the volume of the apparatus in the form of a cone-shaped lid 13 with an effective cone angle a located in the range α=(30°...55°) (based on the results of the simulation of the device for distributing gas throughout the volume of the apparatus in the form of a cone-shaped lid 13, Fig. 1) when the ratio of the diameter of the cone-shaped cover 13 to the diameter of the body 3 is in the range of 0.5...0.75, while in the cone-shaped cover 13 there are holes 14 (Fig. 2) with a diameter in the range of 2.5 mm...5, 0 mm. The cone-shaped cover 13 with holes is made of perforated galvanized steel sheet with a thickness of 1 to 2 mm https://stal-kom.ru/list-perforirovannyy-otsinkovannyy-razmery/. Due to the insignificant influence of the diameter of the hole 14 on the speed of passage of gas and liquid. Holes 14 of a given diameter are punched in a sheet of the above thickness, which can significantly reduce the cost of the sheet in comparison with sheets with holes 14 of a different diameter, made on CNC machines.

Повышение удельного коэффициента массопередачи, и, как следствие, увеличение эффективности массообмена в аппарате и уменьшение высоты колонны обеспечивается равномерным распределением подачи газа к нижней тарелке 8 и работой нижней тарелки 8 с одинаковой степенью барботажа газа по всей площади тарелки 8.An increase in the specific mass transfer coefficient, and, as a consequence, an increase in the efficiency of mass transfer in the apparatus and a decrease in the height of the column is ensured by the uniform distribution of gas supply to the lower plate 8 and the operation of the lower plate 8 with the same degree of gas bubbling over the entire area of the plate 8.

Для повышения удельного коэффициента массопередачи и обеспечения механической прочности регулярная объемная насадка 10а (10b) имеет каркас 15, закрепленные в каркасе 15 плоские сетчатые элементы 11, установленные под углом к газовому потоку, выбираемым из интервала 21°÷30°, при этом каркас 15 насадки 10а (10b) имеет сетчатую структуру и состоит из материала высокой прочности, а сетчатые элементы 11 изготовлены из нитей полимерного или композиционного материала и имеют ячейки 16 (фиг. 4а) в форме четырехугольника размером, выбираемым из интервала: 2,5 мм ÷ 5 мм × 2,5 мм ÷ 5 мм.To increase the specific mass transfer coefficient and ensure mechanical strength, the regular volumetric nozzle 10a (10b) has a frame 15, flat mesh elements 11 fixed in the frame 15, installed at an angle to the gas flow, selected from the range 21°÷30°, while the nozzle frame 15 10a (10b) has a mesh structure and consists of a high-strength material, and the mesh elements 11 are made of threads of a polymer or composite material and have cells 16 (Fig. 4a) in the shape of a quadrangle with a size selected from the range: 2.5 mm ÷ 5 mm × 2.5 mm ÷ 5 mm.

Для уменьшения или полного предотвращения брызгоуноса на верхнюю тарелку 8 плоские сетчатые элементы 11 в смежных насадках 10а и 10b (фиг. 3) установлены с наклоном под противоположными углами к направлению газового потока.To reduce or completely prevent splash entrainment on the upper plate 8, flat mesh elements 11 in adjacent nozzles 10 a and 10 b (Fig. 3) are installed with an inclination at opposite angles to the direction of the gas flow.

При испытаниях экспериментального колонного массообменного аппарата с насадками 10а (10b) конструкции, показанной на фиг. 4, получена зависимость (фиг. 5) приведенного параметра коэффициента массопередачи Y от удельной поверхности насадки 10а (10b) и зависимость коэффициента массопередачи от расхода жидкости (фиг. 6).When testing an experimental column mass transfer apparatus with packings 10a (10b) of the design shown in FIG. 4, the dependence (Fig. 5) of the given parameter of the mass transfer coefficient Y on the specific surface of the nozzle 10a (10b) and the dependence of the mass transfer coefficient on the liquid flow rate (Fig. 6) were obtained.

Данные получены при постоянном расходе жидкости и переменной скорости газа, изменяющейся в пределах от 0,25 м/с до 0,66 м/с.The data were obtained at constant liquid flow and variable gas velocity, varying from 0.25 m/s to 0.66 m/s.

Параметр Y означает превышение коэффициента массопередачи испытываемого образца над коэффициентом массопередачи тарелки 8 без насадки 10а (10b), величина Y для тарелки 8 без насадки 10а (10b) равна единице.Parameter Y means the excess of the mass transfer coefficient of the test sample over the mass transfer coefficient of plate 8 without nozzle 10a (10b), the Y value for plate 8 without nozzle 10a (10b) is equal to one.

На графике экспериментальных данных зависимости приведенного параметра коэффициента массопередачи Y от удельной поверхности насадки 10а (10b) (фиг. 6) параметр Y означает превышение коэффициента массопередачи испытываемого образца над коэффициентом массопередачи тарелки 8 без насадки 10а (10b), величина Y для тарелки 8 без насадки 10а (10b) равна единице. Данные сняты при одинаковом расходе газа и изменяющемся расходе жидкости в колонне в пределах от 100 л/ч до 300 л/ч.On the graph of the experimental data of the dependence of the given parameter of the mass transfer coefficient Y on the specific surface of the nozzle 10a (10b) (Fig. 6), the parameter Y means the excess of the mass transfer coefficient of the test sample over the mass transfer coefficient of the plate 8 without the nozzle 10a (10b), the Y value for the plate 8 without the nozzle 10a (10b) is equal to one. The data was taken at the same gas flow rate and varying liquid flow rate in the column ranging from 100 l/h to 300 l/h.

Насадка 10а (10b) работает следующим образом.The nozzle 10a (10b) works as follows.

Газ, барботируясь через слой жидкости на тарелке 8, образует пену и уносит вверх капли жидкости, которые попадают на объемную насадку 10а (10b), задерживаясь ей, орошая ее и образуя на насадке 10а (10b), в результате сил поверхностного натяжения, пленку жидкости, которая выступает в роли дополнительной поверхности массообмена капельного и пленочного типа, что позволяет резко, до 3,8 раз (фиг.5) увеличить эффективность массопередачи по сравнению с тарелкой 8 без насадки 10а (10b).Gas, bubbling through a layer of liquid on plate 8, forms foam and carries upward drops of liquid that fall on the volumetric nozzle 10a (10b), being retained by it, irrigating it and forming a film of liquid on the nozzle 10a (10b), as a result of surface tension forces , which acts as an additional mass transfer surface of the droplet and film type, which allows you to sharply, up to 3.8 times (Fig. 5), increase the efficiency of mass transfer compared to plate 8 without nozzle 10a (10b).

Данная конструкция позволяет при минимальном, до 10%, увеличении гидравлического сопротивления, решить две задачи:This design allows, with a minimal, up to 10% increase in hydraulic resistance, to solve two problems:

- увеличить коэффициент массопередачи до 3,8 раз;- increase the mass transfer coefficient up to 3.8 times;

- уменьшить межтарельчатое расстояние.- reduce the interplate distance.

В совокупности эти отличительные особенности приводят к решению технической задачи изобретения: повышению удельного коэффициента массопередачи, и, как следствие, уменьшению высоты колонны.Taken together, these distinctive features lead to the solution of the technical problem of the invention: increasing the specific mass transfer coefficient, and, as a consequence, reducing the height of the column.

Claims

1. Column mass transfer apparatus containing a cylindrical body having a bottom part and an upper part;

- connected to the body:

- liquid supply means located in the upper part of the housing;

- liquid selection means located in the bottom part of the housing;

- gas supply means located in the bottom part of the housing;

- means for selecting humidified gas, located in the upper part of the housing;

- a contact plate with caps for the passage of gas and liquid, located above the bottom of the housing;

- at least two regular volumetric nozzles installed above the plate, having mesh elements attached obliquely to the axis of the apparatus,

characterized in that the gas supply means under the plate are located protruding in the center of the bottom part of the housing and have

- a device for distributing gas throughout the volume of the apparatus attached to them or the body in the form of a cone-shaped lid with a ratio of the diameter of the cone-shaped lid to the diameter of the body in the range of 0.5-0.75, while the cone-shaped lid has holes with a diameter in the range of 2, 5-5.0 mm.

2. Column mass transfer apparatus according to claim 1, characterized in that the regular volumetric packing has a frame, flat mesh elements fixed in the frame, installed at an angle to the gas flow, selected from the range of 21°÷30°, while the frame of the packing has a mesh structure and consists of a high-strength material, and the mesh elements are made of threads of polymer or composite material and have cells in the shape of a quadrangle with a size selected from the range: 2.5÷5 mm × 2.5÷5 mm.

3. Column mass transfer apparatus according to claim 2, characterized in that the flat mesh elements in adjacent nozzles are installed inclined at opposite angles to the direction of the gas flow.