SU1079266A1 - Распылительна колонна - Google Patents

Abstract

РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ КОЛОННА дл  проведени  прогйвоточньЕх теплообменных и экстра кии онгаых процессов между несмешивакадимис  жидкост ми, включающа  основную оилиндрическутю секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство дл  диспергировани  одной из фаз, устройства дл  подвода и отвода фаз, отличающа с  тем, что, с целью снижени  температуры диспергируемого теплоносител  и степени регенерации диспергируи«гого эвстрагента, она снабжена дополнительной цилиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхн   часть которой располЪжена в конической секции, а ниж (Л н   часть соединена с устройством дл  диспергировани . -J со IN: а С5 7

Description

шпппг

Cpue.i t1 Изобрегение относитс  к усгройсгвам дл  проведет  прогивогочных теплооб менных и эксгракционных процессов меж ду несмешивающимис  жидкост ми при их непосредственном контакте и мсисет быть применено дл  нагоева минерали ,зованной Воды в термообессоливающих у тановках с промежуточным теплоносителем , а также любом экстракционном процессе .. Известны устройства в виде колонн, заполненных различными конструкционными элементами (сетками, перегородками, различного типа насадками), через которые противоточно движутс  контактйру ющие фазы, одна из которых диспергирована в другой T) Недостатком этих устройств  вл етс  наличие в зоне контакта конструкционных элементов (сеток, перегородок, насадок), что приводит к их зарастан 1ю при наличи в контактирующих жидкост х механических примесей и кристаллизуизцихс  веществ , повьпленному расходу энергии на преодоление сопротивлени , удорожанию устройств и реализуемых в них теплои массообменных процессов. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к изобретению  вл етс  распылительна  колон на Элджина, включающа  вертикальную цилиндрическую секцию, в которой организуетс  прогивоточное движение несмешивающихс  жидкостей, одна из которых находитс  в диспергированном состо нии; коническую, секцию, примыкаемую к ци ливдрической, в которой происходит по ,.степенное снижение скорости сплошной фазы перед ее выводом из зоны контакта через кольцевую щель между стенкой конической секции и распылительным уст ройством; устройство дл  подачи и распьшани  одной из жидкостей, расположен ное так, что сопла или отверсти  этого устройства наход тс  на уровне болыдог основани  конической секции; устройства дл  подвода и отвода сплошной фазы Х2.Д.., Недостатком известной колонны  вл етс  го, что в конической секции, предназначенной дл  постепенного снижени  скорости сплошной фазы, наблюдаетс  интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в капл х при, практически, неизменной температуре и концентрации в сплошной фазе вследствие распьша и формировани  капель в услови х противоточного движени  фаз. Это требует повышенной темпе66 ратуры диспергируемого теплоносител  и повьпленной степени регенерации экстрагента на входе в колоH iy Цель изобретени  - снижение температурыг диспергируемого теплоносител  и степени регенерации диспергируемого экстрагента на входе в колоину. Указанна  цель достигаетс  тем, что распылительна  колонна, котора  включает основную цилиндрическую секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство дл  диспергировани  одной из фаз,устройства дл  подвода и отвода сплошной.фазы, патрубки дл  подвода и отвода диспергированной фазы, снабжена дополнительной хшлиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхн   часть которой расположена в конической секции, а нижн   часть соединена с устройством дл  диспергировани , при этом высота дополнительной цилиндрической секцииравна 1-6-кратной длине, проходимой каплей за один период роста присоединенного кормового вихр . Дополнительна  цилиндрическа  секци  позвол ет осуществить распыл и формирование потока дисперсной фазы в непроточную сплошную фазу. Непроточность дополнительной цилиндрической секции по сплошной фазе способствует установлению теплового и диффузионного равновеси  между фазами, благодар  чему ликвидируетс  локальное интенсивное изменеше температуры и концентрации экстрагируемого вещества в капл х на входе в колонну. На фиг. 1 схематически изображена конструкци  распылительной колонны; на фиг. 2 - зависимость пути развити  кормового вихр  за каплей от числа Рейнольдса и прин ты следующие обозначени : 1 - система гексан-вода, диаметр 1шпель 3,7 мм; 2 - система бензин-вода , диаметр - 3-6 мм; 3 - система керосин-Вода, диаметр капель 4,8 MMJ 4 - система керосин-вода, диаметр капель 3,9 мм; 5 - то же, диаметр капель 3,3 мм; 6 - система додекан-вода , диаметр капли 2,5-4,3 мм; 7 - то же, диаметр капли 3,6-6 мм; 8 - то же, диаметр капли 2-3,9 мм; 9 - то же, диаметр капли 3,5 смм; 10 - то же, диаметр капли 3-4,8 мм; 11 - керосинслабый раствор MjCE , диаметр 1шпли 4 мм; 12 - керосин-концентрированный раствор .MgCP. диаметр капли 4,7 мм; на фиг. 3 - температурные профили фаз

fe известной колонне Элджина и предлагаемой конструкции распылительной .

Конструкци  распылительной колонны (фиг. 1) соогветствует случаю, когда

плотность дисперсной фазы меньше плот кости сплошной фазы. Дл  обратного соотношени  плотностей конструкции кюлонны аналогична, но перевернута.

Распьши тельна  колонн а. включает

устройство дл  подвода сплошной фазы 1 основную цилиндрическую секцию 2, коническую секцию 3, дополнительную цилиндрическую секцию 4, устройство дл  отвода сплошной фазы 5, устройство дл  диспергировани  одной из фаз 6, кольцевой канал 7, патрубки дл  подвода 8 и отвода 9 диспергируемой фазы.

Распылительна  колонна работает следующим образом,.

Диспергируема  фаза через патрубок 8 и сопла или отверсти  диспергирующего устройства 6 поступает в дополнительную цилиндрическую секцию 4, в которой образуетс  зона распыла и формировани  потока дисперсной фазы. Сформированный в дополнительной цилиндрической секции дисперсный поток поступает в коническую 3 и основную цилиндричес1 у о 2 секции, в которых движение фаз и меж-. фазные процессы обмена протекают как и в обычной колонне Элджина. Отвод дисперсной фазы из колонны осуществл етс  через патрубок 9. Сплошна  фаза подаетс  в основную цилиндрическую секцию 2 с помощью устройства дл  подвода 1 и движетс  в противотоке с дисперсной фазой. В конической секции 3 происходит постепенное снижение скорости сплошной фазы, котора  затем выводитс  из колон- ны через устройство отвода 5. Коническа  секци  3 и верхний край дополнительной цилиндрической секции 4 на уровне большого сечени  конической секции образуют кольцевой канал 7, через который сплошна  фаза поступает в устройство дл  отвода 5. Дл  устранени  возможности уноса дисперсной фазы чере кольцевой канал площадь сечени  кольцевого канала выбираетс  равной .или более площади сечени  основной цилиндрической секции.

Указанные размеры дополнительной цилиндрической секции позвол ют ликвидировать локальное интенсивное изменекие температуры и концентрации экстрагруемого вещества в капл х, уменьшить межфазовую разность температур и

концентраций, т.е. снизить Tejvmeparypy диспергируемого теплоносигел  на входе в колонну без изменени  температуры нагреваемой среды, а также снизить степень регенерации диспергируемого эюстрагенга на входе в колонну без снижени  степени экстрагировани .

Это св зано с особенност ми гидродинамики и мезкфазного тепломассоперекоса в распылительных колоннах на участке формировани  дисперсной фазы.

. При истечении жидкости, образующей дисперсную фазу в колонне, за капл ми периодически формируютс  присоединенны кормовые вихри. После отрьша капель от диспергирующего устройства гидродинамичес{д й пограничный слой, образовав . шийс  на лобовой поверхности капли.

; сворачиваетс  в кормовой вихрь.По мере подъема капли кормовой вихрь увеличиваетс  в объеме за счет поступлени  жидкости из лобовой чаото капли и дог стигает своего максимального, ус11рйчивого размера. После этого кормовой вихрь отрываетс  и смешиваетс  с окружающей сплошной фазой, а цикл его развити  повтор етс . Путь, который проходит капл  за период развити  присоединенного кормового вихр , не зависит от диаметра капли и физических свойств фаз.

На фиг. 2 представлены обработка экспериментальных и опытных данных в форме зависимости пути развити  кормового Вихр  за каплей от числа Рейнольдса . Из фиг. 2 следует, что этот путь в среднем равен 0,175 м.

Образование присоединенных кормовых вихрей за капл ми обуславливает интенсивное изменение температуры и концен , трации в капл х на входе в колонну при противоточном движении фаз, а температра и концентраци  переносимого вещества в сплошной фазе остаетс  при этом посто нной. Это св зано с тем, что в услови х распылительных коло1Ш толщина гидродинамического пограничного сло  на поверхности капли обычно много больше толщины теплового и диффузионного пограничных слоев. Поэтому в процессе межфазного обмена участвует только та часть сплошной фазы, котора  сосредоточена в пределах гидродинамического цогрансло  и сноситс  затем в кормовой вихрь. В результате этого в кормовом вихре происходит ак сумул ци  тепла и вещества, которые переход т Во внешний поток после отрыва вихр . Периодическа  аккумул ци  тепла и вещества кормовы п1 вихр ми не приводит, однако к ступенчатому изменению температуры и кошхентрации переносимого ветцества в фазах по высоте основного участка распылительной колонны. В силу случайных возмущений, которые присущи двухфазным системам, на основном участ ке колонны двухфазный поток находит с  в развитом состо нии, когда люба  стади  развити  кормового вихр  за каплею равноверо тна. В любом сечении такого потока имеет место переход жи кости .а следовательно, и конвектив . ный тепло-масс оперенос ог кормовых вихрей во внешнюю фазу. Поэтому изменение температуру и кошхентрации в фазах на основном участке колонны носит монотонный характер. Наличие .кор мовых вихрей вызывает только эффект обратного перемешивани  сплошной фазы в направлении движени  дисперсного потока . На участке распылени  первоначальна в момент отрыва капель от диспергирующего устройства кормовые вихри за капл ми отсутствуют. Кормовые вихри нарастают по мере подъема капель и поэтому , в соответствии с фиг. 2, отрыв вихрей после первого периода их развити  происходит у капель, подн вшихс  в среднем на высоту 0,175 м от диспергирующего устройства. До момента отрыва кормовых вихрей в них идет акку мул ци  тепла и вещества вследствие со ответе твутющих процессов обмена межд поверхностью капли и жидкостью пограничного сло . Поэтому на участке высотой 0,175 м от диспергируклцего устрой ства наблюдаетс  интенсивное изменение температуры и концентрации экстрагируемого вещества в капл х при посто нной температуре и концентрации во внешнем потоке сплошной фазы. В последующие 1Ш.КЛЫ развити  кормовых вихрей двухфазна  система постепенно переходит к развитому состо нию с монотонным изменением температуры и концентрации в обеих фазах. Чтобы ликвидировать резкое изменение температуры и концентрации дисперсной фазы на участке ее распыла , необходимо устранить возможност j межфазного тепло- и массопереноса на этом участке.Введение непроточной по сплошной фазе дополнительной пилинцриче ской секпти.в нижней части которой нахо- дитс  зона распыла капель,позвол ет достичь теплового и диффузионного равновеси мпжпу капл ми и непооточной жидкостью, если высоту этой секции прин ть достаточной дл  достижени  теплового и диффузионного равновеси . Установлено, что такое равновесие между фазами достигаетс  при высоте дополнительной цилиндрической секции до 1 м. Дальнейшее увеличение высоты этой секции нежелательно , так как это приводит к увеличению габаритов колонны и соответственно к росту капитальных затрат без повьщгени  эффективности процесса. Таким образом, высота дополнительной цилиндрической секции выбираетс  в диапазоне 0,175-1,0 м, что составл ет 1-6 кратную длину, проходимую каплей за один период роста присоединенного кормового вихр . Возможности новой распылительной колонны в достижении указанной цели по сравнению с колонной Элджина прказаны на примере теплообменной распылительной колонны в сопоставимых услови х . Размеры, физические свойства фаз, расходы и температурные профили фаз дл  КОЛ0ННЫ Элджина Прин ты в соответст вии с экспериментальными данными.Дл  новой распылительной колонны выбраны те же размеры,физические свойства фаз.Темпера тура сплошной (нагреваемой) фазы на выходе из колонны и на входе в колонну в обоих случа х одинакова. Сравнение ведетс  по температуре диспергируемого теплоносител  на входе в колонну . Температурные профили фаз в новой колонне определены с учетом экспериментальных значений коэффициентов значений коэффициентов межфазного теплообмена . Основные параметры, при которых производитс  сравнение обеих колонн, следующие Сплошна  (нагреваема ) фазаВода Дисперсна  (греюща ) фазаКеросин Отношение объемных расходов фаз2,5 Объемна  концентраци  дисперсной фазы,% 22 Диаметр капель, мм3,5 Высота рабочей зоны теплооб« ена, м1,9 Температура сплошной фазы: на входе в колонну, С 32,5 на выходе из колонны, С 40,3. На фиг. 3 кривые 1 и 2 построены о экспериментальным точкам и показыают распределение температуры дисперсной и сплошной фаз соогвегственно по высоте распылительной колонны известной констругаши; кривые 3 и 4 - распредэление температуры дисперсной и сплошной фаз Соответственно по высоте колонны предлагаемой конструкции. На фиг. 3 следует, что в новой распьшительной колонне разность между ти терагурой диспергированного теплоносител  на входе в колонну и температурой сплошной фазы на выходе из колонны в 7,8 раза меньше, чем соответствующа  разность температур в колонне Элджина, что соответствует снижению температуры теплоносител  на входе в колонну на 12%. Применение данной конструкции распылительной колонны в качестве теплообменного аппарата позвол ет снизить температуру диспергируемого теплоносител  на входе в колонну без изменени  температуры нагреваемой среды. Это дает воа 1ожность примен ть ниэкопотешшальные источники нагрева теплоноОигел , например пар низких параметров испари тедьногорхлаждени  или отборный пар турбин, что дает экономию

.топлива в народном хоз йстве. Применение данной конструкции рас

пылительной колонны в качвс№е экстрактора позвол ет снизить степень регенерации диспергируемохтэ экстрагента на восоде в колонну без уменьшени  степени экстрагировашм, что снижает экономические расходы на регенерацию..

32 J4- 36 38

Ге/ eiocfrrfy a °C

фиеЪ

ff-Q г «4- «ff /

Claims (1)

1. РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ КОЛОННА для проведения противоточных теплообменных и экстракционных процессов между несмешивакяцимися жидкостями, включающая основную цилиндрическую секцию, примыкающую к ней коническую секцию, устройство для диспергирования одной из фаз, устройства для подвода и отвода фаз, отличающаяся тем, что, с целью снижения температуры диспергируемого теплоносителя и степени регенерации диспергируемого экстрагента, она снабжена дополнительной цилиндрической секцией с диаметром, равным диаметру основной цилиндрической секции, верхняя часть которой располЪжена в конической секции, а нижняя часть соединена с устройством для

   SU .... 1079266

   1 1079266