RU2102106C1

RU2102106C1 - Mass-transfer column with floating packing

Info

Publication number: RU2102106C1
Application number: RU96117802/25A
Authority: RU
Inventors: ник Иван Петрович Слобод; Иван Петрович Слободяник
Original assignee: Иван Петрович Слободяник
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 1998-01-20

Abstract

FIELD: designs of packed mass-transfer columns for reaction of gas (vapor)-liquid systems intended for processes of absorption, rectification, in particular, for small-tonnage production of chemical reagents of high-purity; may be used in chemical, petrochemical, food and other industries. SUBSTANCE: mass-transfer column with floating packing has vertical cylindrical body with arranged in tiers distributing conical lattices with perforations in the form of arched slots with tangentially directed axes and central holes at tops through which axisymmetrical vertical rod is installed and spot-welded to conical lattices tops. Outer diameter of conical lattices is smaller than inner diameter of body for free passage. The lowest and highest lattices are confined by detents. Poured on each lattice is packing of spherical members made of polymer, porous materials or expanded clay aggregate with density close to density of water. Novelty consists in fastening of distributing conical lattices to vertical rod, restriction of downward motion of lower lattice and upward motion of upper lattice, possibility of transportation of column in assembled state, use of floating packing from spherical members with density close to density of water. EFFECT: higher efficiency. 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к конструкциям массообменных колонн насадочного типа для взаимодействия систем газ(пар)- жидкость, предназначенных для малотоннажных процессов абсорбции, ректификации и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности, а также в производстве чистых и сверхчистых химических реактивов. The present invention relates to the design of packed-type mass transfer columns for the interaction of gas (steam) - liquid systems, designed for small-tonnage processes of absorption, distillation, and may find application in chemical, petrochemical, food and other industries, as well as in the production of pure and ultra-pure chemicals .

Известна массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поддерживающие решетки, слои насадки на каждой распределительной решетке, устройство для перераспределения жидкости под промежуточными решетками (Рамм В.М. Абсорбция газов. -М. Химия, 1976, с.310). A mass transfer column is known, including a vertical cylindrical body, supporting grids, nozzle layers on each distribution grid, a device for redistributing liquid under the intermediate grids (Ramm V.M. Gas Absorption. -M. Chemistry, 1976, p. 310).

Недостатком известной массообменной колонны является недостаточно высокая эффективность массообмена из-за неравномерности распределения жидкости и газа (пара) по поперечному сечению колонны, байпасирование потоков газа (пара) и жидкости по высоте слоя насадки и вследствие каналообразования в потоках газа (пара) и жидкости. A disadvantage of the known mass transfer columns is the insufficiently high efficiency of mass transfer due to the uneven distribution of liquid and gas (vapor) over the cross section of the column, bypassing of gas (steam) and liquid flows along the height of the packing layer and due to channel formation in gas (steam) and liquid flows.

Наиболее близкой и заявляемой по технической сущности и достигаемому аффекту является массообменная колонна, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные внутри него поддерживающие распределительные конические решетки с перфорациями в виде арочных прорезей с тангенциально направленными осями, слой насадки на каждой распределительной решетке (Патент РФ N 1823196, м.кл. B 01 D 3/22, 1991). The closest and claimed in terms of technical nature and the achieved affect is a mass transfer column, including a vertical cylindrical casing, supporting conical distribution gratings with perforations in the form of arched slots with tangentially directed axes, with a nozzle layer on each distribution grate (Patent RF N 1823196, M.C. B 01 D 3/22, 1991).

Недостатком известной массообразной колонны является снижение эффективности массообмена, приходящейся на единицу высоты колонны, за счет значительной высоты устройства для распределения жидкости в направляющих конусах. A disadvantage of the known mass-like columns is a decrease in the mass transfer efficiency per unit height of the column due to the significant height of the device for distributing liquid in the guide cones.

Цель изобретения повышение эффективности и экономичности массообмена между газом(паром) и жидкостью за счет интенсификации конвективного массообмена при высокотурбулизированном трехфазном потоке газ(пар) жидкость твердая фаза (плавающие элементы насадки) в условиях высоких скоростей газа (пара), за счет уменьшения до минимального расстояния между распределительными решетками по высоте, за счет упрощения конструкции рабочих элементов колонны и использования в качестве насадки недорогих материалов и снижения трудовых затрат на изготовление, монтаж, ремонт и обслуживание. The purpose of the invention is to increase the efficiency and economy of mass transfer between gas (vapor) and liquid due to the intensification of convective mass transfer in a highly turbulent three-phase gas (steam) liquid-solid phase (floating nozzle elements) at high gas (vapor) velocities, by reducing to a minimum distance between distribution grids in height, due to the simplification of the design of the working elements of the column and the use of inexpensive materials as a nozzle and lower labor costs for manufacturing Adding, installation, repair and maintenance.

Цель достигается тем, что в массообменной колонне с плавающей насадкой, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные внутри поддерживающие распределительные конические решетки с перфорациями в виде арочных прорезей с тангенциально направленными осями, слой насадки на каждой распределительной решетке, каждая распределительная решетка выполнена в виде конуса, ориентированного вершиной вниз, с центральным отверстием у вершины, расположенным осесимметрично по отношению к основанию конуса, наружный диаметр основания конуса меньше внутреннего диаметра цилиндрического корпуса для обеспечения свободного прохождения внутри корпуса, внутри отверстия конусов установлен вертикальный стержень, закрепленный к вершинам конусов точечной сваркой, причем наружный диаметр стержня меньше внутреннего диаметра отверстия у вершины конуса, между внутренними стенками отверстий у вершин конусов (распределительных конических решеток) и поверхностью стержня образуются пространства для прохождения газа (пара) и жидкости, под самой нижней и над самой верхней распределительными коническими решетками установлены прикрепленные к внутренним стенкам цилиндрического корпуса, выступающие ограничители в качестве насадки на все решетки, за исключением самой верхней, служащей ограничительной, засыпаны элементы насадки шарообразной формы из полимерных материалов, пористого материала или керамзита с плотностью, близкой к плотности воды. The goal is achieved in that in a mass transfer column with a floating nozzle, containing a vertical cylindrical body, supporting conical distribution gratings with perforations in the form of arched slots with tangentially directed axes, in a layer of nozzles on each distribution grate, each distribution grate is made in the form of a cone, oriented top down, with a central hole at the top, located axisymmetrically with respect to the base of the cone, the outer diameter of the main cones are smaller than the inner diameter of the cylindrical body to ensure free passage inside the body, a vertical rod is mounted inside the cone hole, fixed to the tops of the cones by spot welding, and the outer diameter of the rod is smaller than the internal diameter of the hole at the top of the cone, between the inner walls of the holes at the tops of the cones (distribution conical gratings) and the surface of the rod, spaces are formed for the passage of gas (vapor) and liquid, under the lowest and above the highest p spredelitelnymi conical grates mounted attached to the inner walls of the cylindrical body acting as limiters for all nozzle array excluding the uppermost serving restrictive elements bombarded nozzle spherical shape, made of polymeric materials, porous material or expanded clay with a density close to the density of water.

Предлагаемая массообменная колонна с плавающей насадкой за счет своих отличительных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи
повышение эффективности и экономичности массообмена между газом (паром) и жидкостью.The proposed mass transfer column with a floating nozzle due to its distinctive features provides a solution to the technical problem
increasing the efficiency and economy of mass transfer between gas (vapor) and liquid.

На фиг. 1 схематически представлен продольный разрез массообменной колонны с плавающей насадкой; на фиг. 2 поперечный разрез в плоскости А-А; на фиг. 3 разрез по Б-Б фиг. 2; на фиг. 4 разрез по В-В фиг.2. In FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a mass transfer column with a floating nozzle; in FIG. 2 cross section in the plane AA; in FIG. 3 a section along BB of FIG. 2; in FIG. 4 section along BB-2.

Массообменная колонна (фиг. 1-4) содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, поддерживающие конические распределительные решетки 2 в виде конусов, ориентированных вершинами вниз, с перфорациями в виде арочных прорезей 3 с тангенциально направленными осями, в каждой конической решетке 2 выполнено отверстие у вершины осесимметрично по отношению к основанию конуса, наружный диаметр основания конической решетки 2 меньше внутреннего диаметра цилиндрического корпуса 1 для обеспечения свободного прохождения конической решетки 2 внутри корпуса 1, внутри отверстий конических решеток 2 установлен вертикальный стержень 4, закрепленный к вершинам решеток 2 точечной сварки 5, причем наружный диаметр стержня 4 меньше внутреннего диаметра отверстия у вершины конической решетки 2, между внутренними стенками отверстия у вершин конических решеток 2 и поверхностью стержня 4 образуются пространства для прохождения газа (пара) и жидкости. На каждой распределительной конической решетке 2 засыпан слой насадки 6. В самой нижней части цилиндрического корпуса 1 к его внутренним стенкам прикреплено не менее трех упоров 7 по периметру для установки на них самой нижней распределительной решетке 2. The mass transfer column (Fig. 1-4) contains a vertical cylindrical housing 1, supporting conical distribution grids 2 in the form of cones oriented downward with perforations in the form of arched slots 3 with tangentially directed axes, in each conical grating 2 there is an axisymmetric opening at the top with respect to the base of the cone, the outer diameter of the base of the conical grating 2 is smaller than the inner diameter of the cylindrical body 1 to allow free passage of the conical grating 2 inside the body CA 1, inside the holes of the conical gratings 2 there is a vertical rod 4 fixed to the tops of the grids 2 of spot welding 5, the outer diameter of the rod 4 being less than the inner diameter of the hole at the top of the conical grating 2, between the inner walls of the hole at the tops of the conical gratings 2 and the surface of the rod 4 spaces are formed for the passage of gas (vapor) and liquid. At each distribution conical grating 2, a layer of nozzle 6 is filled in. At the very bottom of the cylindrical body 1, at least three stops 7 are attached to its inner walls around the perimeter for installation on them of the lowest distribution grating 2.

Самые меньшие линейные размеры элементов насадки 6, засыпаемой на распределительные решетки 2, больше разности между внутренним диаметром корпуса 1 и наружным диаметром конической распределительной решетки 2. К нижней и к верхней частям корпуса 1 прикреплены фланцы 6 с образованием отдельных царг для соединения болтами нескольких царг по высоте. Слой насадки 6 засыпается на каждую распределительную решетку 2 последовательно снизу вверх при опускании каждой решетки 2 в колонну на высоту, равную не больше половины расстояния между смежными решетками 2 по высоте. Высота слоя насадки 6 на каждой конической распределительной решетке 2 равна не меньше половины расстояния между решетками 2 по высоте. Для подачи жидкости в колонну служит разъемный штуцер 9, установленный над слоем насадки 6 на решетке 2. The smallest linear dimensions of the elements of the nozzle 6, which are poured onto the distribution grills 2, are larger than the difference between the inner diameter of the housing 1 and the outer diameter of the conical distribution grill 2. Flanges 6 are attached to the lower and upper parts of the housing 1 to form separate sections for bolting several frames together height. The nozzle layer 6 is poured onto each distribution grid 2 sequentially from the bottom up when each grid 2 is lowered into the column to a height equal to no more than half the distance between adjacent grids 2 in height. The height of the nozzle layer 6 on each conical distribution grid 2 is not less than half the distance between the grids 2 in height. To supply fluid to the column is a detachable fitting 9, mounted above the layer of the nozzle 6 on the grill 2.

Для предупреждения подъема связанных между собой поддерживающих распределительных конических решеток 2 верхняя решетка 2 фиксируется отпорным винтом 10, установленным в верхний фланец 10 корпуса 1. To prevent the rise of interconnected supporting conical distribution grids 2, the upper grille 2 is fixed with a release screw 10 installed in the upper flange 10 of the housing 1.

Свободное сечение арочных прорезей 3, выполненных в конических решетках 2, составляет от 10 до 15% от полного сечения колонны. The free section of the arched slots 3 made in conical gratings 2, is from 10 to 15% of the total section of the column.

Массообменная колонна с плавающей насадкой работает следующим образом. Mass transfer column with a floating nozzle operates as follows.

Газ (пар) поступает в корпус колонны (фиг. 1-4) снизу и движется вверх, проходит через арочные прорези 3 с тангенциально направленными осями распределительных решеток 2, контактируя при этом со стекающей сверху вниз жидкостью, сообщая ей часть кинетической энергии, в результате чего в слое насадки 6 на решетке 2 образуется высокотурбулизированный трехфазный слой, состоящий из газа (пара), жидкости и насадки, плавающей в газо(паро)-жидкостном слое между двумя смежными по высоте решетками 2 нижней и верхней. В условиях высоких линейных скоростей газа (пара) за счет соударений газа (пара) и жидкости с элементами плавающей насадки 6 образуется дополнительная высокоразвитая межфазная поверхность, на которой происходит конвективный массообмен между фазами, при этом твердая фаза в виде плавающих элементов насадки создают дополнительную турбулизацию фаз газ(пар)-жидкость, что обеспечивает, как известно, значительное эффективности между фазами и достигается самая высокая эффективность массообмена насадочной колонны с плавающей насадкой. При накоплении на решетке 2 жидкости последняя частично сливается через отверстие у конуса решетки 2 между стенками отверстия и стенками стержня 4, так как внутренний диаметр отверстия у конуса больше наружного диаметра стержня, а частично сливаются через нижние арочные прорези 3 решетки 2, а также через край основания конической решетки 2 в пространстве между внутренними стенками корпуса 1 и наружными кромками конической решетки 2. Причем распределение слива жидкости с решетки 2 происходит неравномерно через различные отверстия к щели. При малых удельных нагрузках по газу (пару) и жидкости слив жидкости происходит преимущественно через нижние арочные прорези 3 и щели решеток 2, а газ (пар) проходит преимущественно через верхние прорези 3 и щели решеток 2, при этом эффективность массообмена будет значительно ниже, чем при высокотурбулентном режиме. Gas (steam) enters the column body (Fig. 1-4) from below and moves upward, passes through arched slots 3 with the tangentially directed axes of the distribution grids 2, in contact with the liquid flowing from top to bottom, telling it part of the kinetic energy, as a result which, in the nozzle layer 6 on the lattice 2, a highly turbulent three-phase layer is formed, consisting of a gas (steam), a liquid, and a nozzle floating in a gas (vapor) liquid layer between two lower and upper gratings 2 adjacent in height. Under conditions of high linear velocities of gas (steam) due to collisions of gas (steam) and liquid with elements of the floating nozzle 6, an additional highly developed interphase surface is formed on which convective mass transfer between the phases occurs, while the solid phase in the form of floating nozzle elements creates additional phase turbulence gas (steam) - liquid, which provides, as you know, significant efficiency between the phases and the highest mass transfer efficiency of the packed column with a floating nozzle is achieved. When liquid accumulates on the grate 2, the latter partially merges through the hole at the cone of the grate 2 between the walls of the hole and the walls of the rod 4, since the inner diameter of the hole at the cone is larger than the outer diameter of the rod, and partially merge through the lower arched slots 3 of the grate 2, and also through the edge the base of the conical lattice 2 in the space between the inner walls of the housing 1 and the outer edges of the conical lattice 2. Moreover, the distribution of fluid drain from the lattice 2 occurs unevenly through various openings to the slit. At low specific loads for gas (steam) and liquid, liquid is drained mainly through the lower arched slots 3 and slots of the gratings 2, and gas (steam) passes mainly through the upper slots 3 and slots of the gratings 2, while the mass transfer efficiency will be significantly lower than with highly turbulent mode.

В условиях работы массообменной колонны с плавающей насадкой при высокоэффективном турбулентном режиме в каждом объеме слоя насадки 6 между двумя нижней и верхней решетками 2 структура потока жидкости близка к модели полного перемещения с высокой эффективностью массообмена по Мерфри ячейки полного перемешивания. Очевидно, что расстояние между решетками 2 по высоте могут быть значительно уменьшены, что позволит значительно увеличить общую эффективность массообмена колонны. Under the conditions of operation of a mass transfer column with a floating nozzle under a highly efficient turbulent regime in each volume of the nozzle layer 6 between two lower and upper gratings 2, the structure of the fluid flow is close to the model of complete movement with high mass transfer efficiency according to Murphy of the complete mixing cell. It is obvious that the distance between the gratings 2 in height can be significantly reduced, which will significantly increase the overall mass transfer efficiency of the column.

Технические преимущества заявляемой массообменной колонны с плавающей насадкой по сравнению с прототипом заключается в повышении эффективности и экономичности массообмена между газом (паром) и жидкостью за счет эффективности массообмена по Мерфри ячейки полного перемешивания в условиях высокоэффективного турбулентного режима, за счет упрощения конструкции колонны, возможности ее транспортировки в собранном виде, уменьшения затрат на изготовление, монтаж и ремонт. The technical advantages of the inventive mass transfer columns with a floating nozzle in comparison with the prototype is to increase the efficiency and economy of mass transfer between gas (vapor) and liquid due to the Murphy mass transfer efficiency of the full mixing cell in a highly efficient turbulent mode, by simplifying the design of the column, the possibility of its transportation assembled, reducing the cost of manufacturing, installation and repair.

Общественно-полезные преимущества заявляемой массообменной колонны с плавающей насадкой по сравнению с прототипом, вытекающие из технических преимуществ, заключаются в повышении разрешающей способности колонны, обеспечивающей повышение чистоты готовых продуктов разделения, улучшении их качества и снижении себестоимости. The socially useful advantages of the inventive mass transfer column with a floating nozzle compared to the prototype, resulting from technical advantages, are to increase the resolution of the column, which provides an increase in the purity of the finished separation products, their quality and cost reduction.

Claims

Mass transfer column with a floating nozzle for interaction between gas (vapor) and a liquid, including a vertical cylindrical body, supporting conical distribution gratings with slots in the form of arched slots with tangentially directed axes, the nozzle layer on each distribution grate, characterized in that each conical distribution grid is made in the form of a cone oriented with the vertex down, with a central hole at the vertex located axisymmetrically relative to the base of the cone, the outer diameter of the base of the cone is less than the inner diameter of the cylindrical body to ensure free passage of the cone inside the body, a vertical rod is mounted inside the cone holes, fixed to the tops of the cones by spot welding, and the outer diameter of the rod is smaller than the inner diameter of the hole at the top of the cone, between the inner with the walls of the holes at the vertices of the cones and the surface of the rod, spaces are formed for the passage of gas (vapor) and liquid, as a nozzle all conical gratings, with the exception of the uppermost one, which serves as a restrictive one, are filled with a spherical nozzle made of polymeric materials, porous materials or expanded clay with a density close to the density of water, and attached to the inner walls of the cylindrical body under the lower and above the highest distribution conical gratings protruding limiters.