21.7. Техника будущего: Новые технические решения технологических задач
Контактное устройство (А.с. № 1498529, А1 В01 D3/26) относится к конструкциям аппаратов для тепломассообмена, может быть применено для проведения абсорбции, ректификации и других процессов разделения в системах газ (пар) – жидкость и позволяет повысить эффективность массообмена за счет снижения брызгоуноса.
Рис.
20.18. Контактное устройство
Газовый поток поступает в нижнюю часть устройства и распределяется в межкольцевых пространствах, а орошающая жидкость с вышележащего контактного устройства подается на полотно 1, откуда через узел 5 подвода жидкости поступает в центр контактного устройства.
В поле центробежных сил закрученного наклонными лопастями 4 газового потока капли жидкости отбрасываются на внутренние стенки колец 2. Здесь капли жидкости образуют пленку, которая, перемещаясь по кольцу по восходящей винтовой линии, попадает через щелевые насечки 3, расположенные в верхней части кольца 2, в соседнее межкольцевое пространство, приобретают противоположное направление движения, заполняют его объем, отбрасываются к стенкам следующего кольца и т.д. В целом в объеме устройства благодаря резкому гашению скорости газа после прохождения им наклонных лопастей образуется взвешенный газоожиженный слой, в котором интенсивно протекают тепломассообменные процессы.
Жидкость, отброшенная к стенкам корпуса 8 через насечки 3, расположенные в верхней части наружного кольца, собирается в объеме между полотном 1 и конической сетчатой обечайкой 9, что способствует уменьшению брызгоуноса на вышележащую ступень и гашению пены. При этом часть жидкости снова поступает в центр контактного устройства через узел 5 подвода жидкости, а часть жидкости через переточную трубку 10 подается на полотно нижележащего контактного устройства, обеспечивает уменьшение брызгоуноса, а многократное контактирование жидкости с газовым потоком способствует более полному насыщению жидкости поглощаемыми компонентами.
Контактное устройство отличается тем, что с целью повышения эффективности массообмена за счет снижения брызгоуноса, коаксиальные кольца расположены так, что каждое меньшее кольцо смещено вниз на одинаковое и меньше высоты кольца расстояние, при этом нижние части колец выполнены сплошными, а верхнее кольцо снабжено установленной на нем расширяющейся кверху конической сетчатой обечайкой с зазором относительно корпуса.
Рис.
21.19. Ректификационное
контактное
устройство
На рис. 21.19 представлен общий вид устройства и продольный разрез. Устройство включает в себя горизонтальное основание 1 с контактными элементами 2, сливную перегородку 3 с направляющими пластинами 4 и переливной карман 5. Пластины 4 выполнены в виде участков концентрически расположенных цилиндрических поверхностей, частично перекрывающих основание 1 и переливной карман 5. Величина перекрытия пластинами 4 основания 1 увеличивается, кармана 5 – уменьшается от центра к периферии, а расстояние между соседними пластинами 4 увеличивается от центра к периферии.
Прогон спирта с примесями, выделенными при эпюрации бражки, конденсируется и в виде вводно-спиртового конденсата направляется на очистку в эпюрационную колонну, где поступает на основание 1 первого по ходу движения жидкостного потока устройства и взаимодействует с восходящим потоком первой фазы, проходящим через контактные элементы 2. Пройдя рабочую часть контактной ступени, жидкая фаза сбрасывается через сливную перегородку 3, снабженную направляющими пластинами 4, в переливной карман 5. При этом происходит перераспределение жидкостной нагрузки, заключающееся в принудительном заполнении жидкостью периферийных участков кармана 5, что обеспечивается за счет геометрических особенностей направляющих пластин 4 и их взаимного расположения.
Ректификационное контактное устройство отличается тем, что с целью повышения эффективности процесса массообмена за счет улучшения структуры жидкостного потока, пластины выполнены в виде участков концентрически расположенных цилиндрических поверхностей, частично перекрывающих основание и переливной карман, при этом величина перекрытия пластинами основания увеличивается, а кармана – уменьшается от центра к периферии, расстояния между соседними пластинами увеличиваются от центра к периферии.
Массообменный аппарат (Пат. № 2092220 РФ, В01 D3/22) предназначен для проведения процесса ректификации и позволяет повысить эффективность массопередачи, уменьшить гидравлическое сопротивление аппарата, имеет возможность аккумуляции и отбора промежуточных фракций из сепараторов.
На рис. 21.20 показана схема массообменного аппарата. Массообменный аппарат состоит из отдельных секций, состоящих из сепараторов 1 и парожидкостных эжекторов 8. Секции расположены на одном уровне, или с небольшой разницей по высоте. Камеры смещения эжекторов присоединены к контактным трубам 6, которые вводятся тангенциально в верхней части сепараторов. В сепараторах соосно установлены цилиндрические стаканы 3, открытые снизу. На внутренней боковой поверхности сепараторов и наружной поверхности стаканов укреплены отражатели потоков 4. В нижней части сепараторов тангенциально выведены жидкостные патрубки 10, подсоединенные к ижектрам предыдущей секции. Цилиндрические стаканы в верхней части снабжены паровыми патрубками 9, подсоединенными к эжекторам последующих секций. В днищах сепараторов установлены патрубки 2.
Массообменный аппарат снабжен патрубками: 5 – для отвода обогащенной паровой фазы; 7 – подвода исходного жидкого продукта; 11 – подвода пара; 12 – отвода обедненного жидкого продукта.
В патрубок 7 подается исходный жидкий продукт, содержащий компоненты с различной летучестью. По патрубку 9 в эжектор подается пар с предыдущей секции. Пар эжектирует жидкость. Происходит перемещение потоков фаз, и гомогенный двухфазный поток по контактной трубе 6 тангенциально подается в сепаратор. Двухфазный поток раскручивается. Жидкая фаза ударяется об отражатели потока 4, укрепленные на внутренней боковой поверхности сепаратора, и направляется на наружную поверхность цилиндрического стакана. Затем жидкая фаза ударяется об отражатели потока, укрепленные на наружной поверхности стакана, и направляется на внутреннюю стенку сепаратора. При ударе происходит диспергирование жидкой фазы и поверхность массопередачи возрастает. Благодаря большим скоростям двухфазного потока и развитой поверхности происходит интенсивный массообмен. В нижней части сепаратора отражатели потока отсутствуют. Жидкость отделяется и поступает в жидкостный патрубок 10, не меняя направления движения. Кинетическая энергия вращающегося потока переходит в потенциальную, часть жидкой фазы аккумулируется в нижней части сепараторов, откуда удаляется по патрубкам 2. Жидкая фаза по патрубкам 10 направляется в эжектор предыдущей секции. Цикл массообмена повторяется. Объединенная жидкость отводится из аппарата через патрубок 12, обогащенный пар – через патрубок 5, пар подводится через патрубок 11, исходный жидкий продукт через патрубок 7. Исходный жидкий продукт может вводиться в любой эжектор в зависимости от назначения аппарата – ректификации, эпюрации и т.д. Количество секций также переменно.
Рис.
21.20. Массообменный аппарат
Массообменный аппарат (Пат. № 2138314 РФ, В01 D3/26) предназначен для проведения процессов ректификации и абсорбции.
На рис. 21.21 показана схема массообменного аппарата. Массообменный аппарат состоит из вертикального корпуса 1, по высоте которого установлены тарелки 2, делящие корпус на отдельные секции 3. В тарелках установлены паровые сопла 4. Тарелки снабжены жидкостными камерами 5, соединенными с перепускными каналами 6 и имеющими патрубки отвода промежуточных продуктов 7. Входные участки перепускных каналов выполнены в виде диффузоров. Соосно паровым соплам в жидкостных камерах установлены камеры смешения 8, соединенные с криволинейными лотками сепарации 9, которые соединены по касательной с перепускными каналами 6. Между лотками и стенками корпуса образуются паровые каналы 10. Нижняя тарелка снабжена соплом подачи исходного пара (газа) 11. Верхняя тарелка не имеет жидкостной камеры и снабжена соплом подачи исходной жидкости 12 в камеру смешения. Нижняя секция снабжена патрубком отвода истощенной жидкости 13, а верхняя – патрубком отвода обогащенного пара 14.
Исходный пар подается в сопло 11 нижней тарелки; исходная жидкость – в сопло 12 верхней секции под избыточным давлением, а инжектируемой средой является пар. Пар, выходящий из сопел 4 с большой скоростью, инжектирует жидкость из жидкостных камер 5. В камерах смешения 8 жидкость и пар интенсивно перемешиваются и в виде парожидкостной смеси направляются на криволинейные лотки сепарации 9. Под действие центробежной силы жидкая фаза отбрасывается к стенке лотка и с большой скоростью подается в диффузоры перепускных каналов. Пар отделяется от жидкости, по каналам 10 поднимается вверх и через паровое сопло подается в камеру смешения вышерасположенной секции. Жидкость по перепускному каналу направляется в жидкостную камеру нижерасположенной секции. Таким образом, осуществляется противоточное движение жидкой и паровой фаз в пределах массообменного аппарата, при прямоточном в пределах секции. Пары обогащаются легколетучим компонентом и выводятся из аппарата через патрубок 14, истощенная жидкость – через патрубок 13, а промежуточные продукты – через патрубки 7 из жидкостных камер.
Рис.
21.21. Массообменный аппарат
* * *
В этой главе наиболее важными являются следующие моменты:
1. При ректификации спирта эффективность диффузионного процесса массообмена определяется площадью поверхности контакта фаз, средней движущей силой процесса и коэффициентом массоотдачи.
2. Летучесть отдельных компонентов разделяемой смеси характеризуется коэффициентом испарения, представляющим собой отношение концентрации данного вещества в паровой фазе к концентрации его в жидкой фазе.
3. Ректификационные установки в спиртовой промышленности подразделяются на брагоперегонные, ректификационные, брагоректификационные и укомплектовываются бражной, эпюрационной и ректификационной колоннами.
4. В основе инженерных расчетов бражной, эпюрационной и ректификационной колонн лежат уравнения баланса тех продуктов, которые поступают в эти колонны.