Массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа

Полезная модель относится к тепломассообменной технике, а именно к конструкциям массообменных насадочных контактных устройств, может быть использовано в нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности для массообменных процессов взаимодействия жидкости и газа и направлено на увеличение производительности массообменного аппарата по жидкости и газу при работе на пенящихся средах. Устройство содержит зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между зигзагообразными перегородками. Зигзагообразные перегородки выполнены с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта. Радиусы гиба зигзагообразных перегородок выполнены в диапазоне 5÷20 мм. Расстояние между вертикальными стержнями t=12÷28 мм. Вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15÷0,30 А.

Полезная модель относится к тепломассообменной технике, а именно к конструкциям массообменных насадочных контактных устройств, и может быть использовано в нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности для массообменных процессов взаимодействия жидкости и газа.

Известен тепломассообменный аппарат, состоящий из волнистых зигзагообразных перегородок и вертикальных струн, установленных между перегородками, в котором достигается равномерное пленочное течение жидкости по поверхности перегородок и струн. Газ, подаваемый вниз аппарата, контактирует с поверхностью жидкости, не нарушая ее пленочного течения (SU, A1, 1327897, 1987).

Недостатком данной конструкции является ограниченная поверхность межфазного контакта, и, следовательно, интенсивность массопереноса, поскольку поверхность контакта фаз не может быть больше поверхности самой насадки.

Наиболее близким к заявленной полезной модели является массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между вертикальными стержнями и зигзагообразными перегородками (RU, C1, 2461406, 2010).

Известное решение позволяет увеличить поверхности межфазного контакта за счет замены волнистой зигзагообразной перегородки с большим радиусом гиба на зигзагообразную перегородку с острыми углами гиба, когда радиус кромки гиба не превышает 3 мм. Такая конструкция насадки способствует увеличению поверхности контакта фаз за счет создания динамических свободных пленок жидкости за каждым вертикальным стержнем и срыва потока жидкости с острых кромок зигзагообразных перегородок в местах непримыкания к ним стержней и последующим распадом жидкости на капли.

Недостатком данной конструкции является то, что в аппарате создаются благоприятные условия для пенообразования, поскольку и обдувание динамически свободных тонких пленок жидкости газом, и удары капель жидкости о пленку способствуют формированию пузырей. В случае с непенящимися жидкостями (вода, бензин) пузыри быстро схлопываются и существенно не препятствуют работе аппарата, а в случае с пенящимися (нефть, мазут, дизельное топливо) происходит накапливание пузырей с образованием пены, которая перекрывает проход газу. При этом гидродинамический режим аппарата принципиально меняется и скорость захлебывания кратно снижается.

Заявленная полезная модель направлена на устранение данного недостатка.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленной полезной модели обеспечивается тем, что в массообменном контактном устройстве для взаимодействия жидкости и газа, содержащем зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между вертикальными стержнями и зигзагообразными перегородками, зигзагообразные перегородки выполнены с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, и радиусами гиба зигзагообразных перегородок 5÷20 мм, при этом расстояние между вертикальными стержнями t=12÷28 мм, а вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15÷0,30А.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - принципиальная схема узла сопряжения зигзагообразной перегородки и секционирующей трапецеидальной пластины.

Массообменный аппарат включает корпус штуцера ввода и вывода реагентов (не показано), и массообменное контактное устройство, содержащее зигзагообразные перегородки 1, стержни 2 и вертикальные секционирующие пластины 3. Перегородки 1 образуют сквозной зигзагообразный канал для прохода жидкости и газа. Стержни 2 плотно прилегают к перегородкам 1 в местах гиба последних и способствуют направленному срыву жидкости с образованием динамически-устойчивых, как бы натягивающихся между стержнем 2 и перегородкой 1, параллельных пленок.

Зигзагообразные перегородки 1 выполняются с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта. Экспериментально было установлено, что в этих диапазонах величин H и А наблюдается наиболее устойчивые динамические пленки с наименьшим дроблением их на капли. При уменьшении соотношения Н/А менее 0,6 или увеличении более 2,0 устойчивость пленки резко снижается и происходит нежелаемое дробление пленки на капли.

Выполнение зигзагообразной перегородки 1 с радиусом гиба 5÷20 мм обеспечивает сплошность пленки жидкости и сохранение ее на поверхности перегородки 1 в месте гиба, как это не имело бы место быть в случае с острой кромкой гиба, менее 3 мм.

Зигзагообразную перегородку выполняют с радиусом гиба 5÷20 мм, для того чтобы, пленка жидкости не срывалась с перегородки в месте гиба, как в случае с острой кромкой, перетекала по той же перегородке, изменяя направление на ее внутреннюю сторону. При радиусе гиба более 20 мм формирование динамических пленок прекращается и все жидкость начинает стекать по зигзагообразным перегородкам. При этом эффективность работы аппарата резко снижается.

Расстояние между вертикальными стержнями выполняют с шагом t=12÷28 мм, поскольку в таком диапазоне шага стержней установлен максимальный эффект образования динамически устойчивых двухсторонних пленок жидкости между стержнями 2 и зигзагообразными перегородками 1 с обратной стороны стержня 2 по направлению движения жидкости. При этом практически прекращается срыв динамически свободных пленок за каждым вертикальным стержнем 2 по направлению движения жидкости.

Динамическая устойчивость внутренних пленок обуславливается действием сил поверхностного натяжения, поскольку пленка, с одной стороны, «цепляется» за жидкость стекающую по стержням 2, а с другой - за жидкость, стекающую по стенке зигзагообразной перегородки 1.

Вертикальные секционирующие пластины 3 имеют форму равнобедренных трапеций и своими боковыми сторонами крепятся к зигзагообразным перегородкам 1, формируя пропускное окно 4 между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки 1 высотой усеченной части h=0,15÷0,3Н. Установлено, что влияние трапецеидальных секционирующих пластин 3 обеспечивает дополнительное выравнивание движения газа по сечению аппарата за счет его перетока в образовавшиеся окна 4 в горизонтальном сечении, что в целом положительно влияет на увеличение производительности аппарата по газу при работе на пенящихся жидкостях.

Аппарат работает следующим образом:

Жидкость подается в верхнюю часть аппарата и с помощью распределительного устройства поступает в каждый сквозной зигзагообразный канал, в котором стекает по зигзагообразным перегородкам 1. В местах соединения зигзагообразных перегородок 1 с стержнями 2 жидкость, при указанных размерах аппарата за счет сил поверхностного натяжения, стекая вниз, преобразуется в динамически устойчивые пленки, которые натягиваются между зигзагообразными перегородками 1 и стержнями 2. Пленки имеют форму треугольника, сохраняют свою устойчивость, не дробятся на капли.

Газ, поступая в нижнюю часть аппарата, поднимается по сквозным зигзагообразным каналам вверх, контактирует с динамически-устойчивыми пленками жидкости, не разрывая их на капли, и не формируя пузырей жидкости. В результате чего достигается режим работы аппарата, не способствующий пенообразованию.

Таким образом, массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки 1, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохода жидкости и газа, и вертикальные стержни 2, плотно примыкающие к кромкам гиба зигзагообразных перегородок I, у которого на противоположных зигзагообразных перегородках 1 в шахматном порядке закреплены вертикальные секционирующие пластины 3, при этом зигзагообразные перегородки 1 выполнены с соотношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, и радиусами гиба зигзагообразных перегородок 5÷20 мм, при этом расстояние между вертикальными стержнями t=12÷28 мм, а вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15÷0,30А можно использовать при работе на пенящихся жидкостях, при высоких нагрузках по жидкости, при этом предельная скорость газа в аппарате возрастет в 3÷5 раз.

Заявленная полезная модель позволяет увеличить производительность аппарата по газу при работе с пенящимися жидкостями на больших плотностях орошения более 100 м³/м ² ч, путем минимизации доли жидкости, находящейся в аппарате в форме динамически-свободных пленках и в каплях.

Совокупность отличительных признаков заявленного устройства придают ему новые свойства, благодаря которым и обеспечивается технический результат, а именно увеличение производительности работы аппарата по газу при работе с пенящимися жидкостями при больших плотностях орошения.

В результате теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что при выполнении указанных выше конструктивных параметров создаются гидродинамические условия, позволяющие значительно увеличить производительность аппарата по газу при работе на пенящейся жидкости (система нефть Покровского месторождения - углеводородный газ).

	Скорость захлебывания аппарата (м/с) при плотностях орошения (м3/м2 *ч)
	50	100	150	200	250
По прототипу	3,1	1,2	0,8	0,3	0,2
Предлагаемое массообменное контактное устройство (МКО)	3,7	2,8	2,2	1,7	1,5

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Таблица 1
	Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различных отношениях H/a и плотности орошения 150 м3/м2-ч
H/a	0,3	0,5		0,6		1,0		1,5	2,0		2.2		2,5
W	0,9	1,5		1,8		2,0		2,1	2,0		1,7		1,3
Таблица 2
	Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) и поверхность межфазного контакта (F, м 2/м3) при различном радиусе гиба зигзагообразных перегородок (R, мм) и плотности орошения 150 м3/м 2-ч,
R	2,5		5		10		15			20		25
W	0,8		1,5		1,8		2,0			2,2		2,3
F	118,4		183,2		185,6		193,4			187,1		137,4

Таблица 3
	Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различном расстоянии между вертикальными стержнями (t, мм) и плотности орошения 150 м3/м 2-ч
t	9	12		15		20		25		28		31
W	1,3	1,8		2,0		2,2		2,1		2,0		1,4
Таблица 4
	Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различной высоте усеченной части трапецеидальной перегородки (h) и плотности орошения 150 м3/м 2-ч
h	0,1H		0,15H		0,2H		0,25H		0,3H		0,35H
W	1,8		2,2		2,2		2,2		2,1		1,7

Массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, образующие сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам с вертикальными секционирующими пластинами, расположенными в шахматном порядке между вертикальными стержнями и зигзагообразными перегородками, отличающееся тем, что зигзагообразные перегородки выполнены с отношением Н/А=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, А - ширина ступени контакта, и радиусами гиба зигзагообразных перегородок 5-20 мм, при этом расстояние между вертикальными стержнями t=12-28 мм, а вертикальные секционирующие пластины выполнены трапецеидальной формы с формированием пропускного окна между торцом этой пластины и поверхностью зигзагообразной перегородки с его высотой h=0,15-0,30А.