ПРЯМОТОЧНЫЙ АБСОРБЕР

Изобретение относится к устройствам для очистки газовых смесей от вредных примесей, а также для извлечения ценных компонентов из этих смесей.

Абсорбционные процессы широко распространены в химической технологии и являются основной технологической стадией ряда важнейших производств (абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция HCl с получением соляной кислоты; абсорбция окислов азота водой в производстве азотной кислоты; абсорбция NH₃, паров C₆H₆, H₂S и других компонентов из коксового газа; абсорбция паров различных углеводородов из газов переработки нефти и т.п.). Кроме того, абсорбционные процессы являются основными процессами при очистке выпускаемых в атмосферу отходящих газов от вредных примесей (очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений, и т.д.). Абсорбционные процессы нашли широкое применение в газодобывающей отрасли промышленности при подготовке газа к транспортировке (установки гликолевой осушки природного газа).

В настоящее время известно множество устройств для проведения абсорбционных процессов.

Так, из описания к патенту РФ №2198727 (опубликован 20.02.2003) известна регулярная насадка, используемая для противоточного аппарата, которая состоит из пакетов, набранных из гофрированных или плоских с выступами пластин, направленных приблизительно параллельно вертикальной оси аппарата, и установленных один над другим слоями, которые развернуты относительно друг друга, причем пакеты в каждом слое расположены таким образом, что в плоскости стыка соседних пакетов каналообразные пустоты одного из пакетов перекрыты пластиной другого пакета, при этом пакеты выполнены из прямоугольных пластин одинаковой величины с длиной, кратной радиусу аппарата, а смежные слои повернуты относительно друг друга вокруг оси аппарата таким образом, что плоскости стыков пакетов между слоями смещены, при этом угол поворота выбран обеспечивающим перекрытие в смежных слоях незаполненной площади поперечного сечения аппарата.

Из описания к Европейскому патенту №0416649 (опубликован 13.03.1991) известна регулярная насадка для колонн, размещаемая на держателе (решетке) и выполненная в виде трех слоев, размещенных друг относительно друга с разворотом на угол 90 градусов. Каждый слой состоит из армированных гофрированных листов с вертикальными или наклонными гофрами, гофры соседних листов соприкасаются вершинами.

Кроме этого, в патенте США №5616289 (опубликован 01.04.1997) раскрыта противоточная массо- или теплообменная колонна, которая представляет собой цилиндрический корпус для противоточного взаимодействия жидкости и газа, штуцеры подвода и отвода потоков, в корпусе размещен распределитель жидкости, пакет насадки. Пакет насадки выполнен из перемежающихся гофрированных и плоских листов.

Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является насадочный абсорбер, содержащий цилиндрическую обечайку с эллиптическими днищами, штуцеры входа-выхода газа и жидкости, распределитель жидкости, массообменную секцию (авторское свидетельство СССР №1810102, опубликовано 23.04.1993).

Существенным недостатком известных абсорберов является противоточная схема движения газа и жидкости внутри корпуса аппарата, которая накладывает ограничения по его производительности. Это связано с тем, что с ростом производительности возрастает скорость движения газа в абсорбере, что ведет к возрастанию уноса жидкости потоком газа, нарушается равномерность распределения жидкости по объему насадки, ухудшается контакт между фазами и, как следствие, снижается эффективность процесса. Кроме того, противоточная схема работы приводит к увеличению гидравлического сопротивления, поскольку с увеличением скорости газа, возрастает сила трения между газом и жидкостью.

Техническим результатом патентуемого решения является повышение производительности, увеличение поверхности контакта фаз, обеспечение непрерывного контакта фаз, снижение гидравлического сопротивления, обеспечение равномерности распределения жидкости по всему объему насадки и абсорбера в целом, обеспечение работы при низких расходах абсорбента, возможность широкого изменения нагрузок по газу и жидкости, а также обеспечение возможности конструктивного оформления как в горизонтальном, так и в вертикальном положении и уменьшение габаритных размеров аппарата, снижение металлоемкости.

Заявленный технический результат достигается за счет конструкции прямоточного абсорбера, реализующего прямоточную (однонаправленную) схему движения газа и жидкости, содержащего корпус со штуцерами входа и выхода газа и штуцерами для входа и выхода жидкости (абсорбента), распределитель жидкости, массообменную секцию и каплеотбойник, расположенные внутри корпуса, при этом массообменная секция выполнена в виде горизонтальных полок с размещенными на них пакетами регулярной пластинчатой насадки, причем пакет регулярной насадки формируется из отдельных гофрированных листов, разделенных между собой проставками из плоского листа, с образованием между листами каналов.

При этом угол наклона гофр листов регулярной насадки к горизонту выбирается в зависимости от длины полки, на которой уложена насадка и высоты между полками. Основным критерием при выборе угла наклона гофры является возможность подъема жидкости с полотна полки по каналам пакета насадки потоком газа. Опытным путем определен оптимальный диапазон угла подъема (наклона) равный 7-30 градусов.

Пакеты насадки на соседних полках расположены зеркально друг относительно друга (угол поворота между ними на соседних полках составляет 180°).

Далее изобретение поясняется ссылками на фигуры, на которых изображено следующее.

На фиг.1 - продольный разрез абсорбера;

На фиг.2 - разрез А-А фиг.1;

На фиг.3 - разрез В-В фиг.1;

На фиг.4 - общий вид пакета насадки;

На фиг.5 - сечение пакета насадки (вид сбоку);

На фиг.6 - гофрированный лист насадки;

На фиг.7 - каплеотбойник.

Абсорбер содержит корпус 1, штуцер 2 для входа газового потока, распределитель жидкости 3 для подвода абсорбента, штуцер 5 для отвода отработанного абсорбента, штуцер 4 для отвода очищенного газового потока, полки 6 с расположенными на них пакетами массообменной регулярной насадки 7, каплеотбойник 9.

Пакет насадки набран из гофрированных листов, разделенных между собой проставками из плоского листа (фиг.5-6). Гофрированные листы обычно получают штамповкой из плоского листа. Рабочая поверхность представляет собой чередующиеся выступы-впадины (гофры), образующие в сечении треугольные каналы. Гофры листов в пакете каждой насадки располагаются параллельно друг другу. Поверхность листов насадки может быть выполнена рифленой.

Величины сторон гофры выбираются таким образом, чтобы площадь образующегося канала обеспечивала минимально-необходимую скорость газового потока, обеспечивающую подъем жидкости с полки и распределении ее по объему насадки при минимально возможном расходе газа. В случае увеличения расхода газа увеличатся скорости газа и жидкости в каналах, что ведет к интенсификации массообменного процесса и, соответственно к увеличению эффективности аппарата.

Таким образом, расчет геометрических параметров насадки осуществляется на минимально возможный расход газа, т.к. увеличение расхода положительно сказывается на эффективности процесса.

Разделение соседних листов в пакете насадки проставками из плоского листа обусловлено тем, что чередование поверхностей плоских и гофрированных листов образуют каналы, необходимые для движения и взаимодействия газа и жидкости.

Предложенная конструкция насадки позволит увеличить поверхность массообмена в единице объема насадки, улучшить смачиваемость поверхности насадки, снизить гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерно распределить жидкость по объему, изготовить из химически и коррозионно-стойких материалов, снизить удельный вес, увеличить механическую прочность.

Полка представляет собой плоскую горизонтальную стальную пластину прямоугольного (квадратного) сечения сваренную с корпусом аппарата (с вертикальными стенками) с трех сторон таким образом, что между полкой и одной из стенок образуется проход, по которому газожидкостной поток поступает из одной массообменной секции в другую.

Количество полок и пакетов насадки определяется расчетом в зависимости от массовых расходов газа и жидкости, числа единиц переноса, высоты единицы переноса и геометрических размеров абсорбера. Здесь лучше указать диапазон возможных количеств. Например, может составлять ХХХ-ХХХ.

Каплеотбойник (фиг.7) служит для предотвращения уноса капель жидкости газовым потоком и может быть выполнен в виде пакета насадки, собранного из мелкоячеистого просечно-вытяжного листа (поз.10) переложенного слоями рукавной металлической сетки (поз.11).

Работа абсорбера осуществляется следующим образом.

Поток газа через штуцер 2 поступает в корпус 1, в пространство над верхней полкой. Одновременно, через распределитель жидкости 3, в это же пространство подводится абсорбент. Образующийся газожидкостной поток движется в поперечном сечении аппарата по направлению к стенке, противоположной штуцеру входа газа. Далее, через проход в полотне полки, поток попадает в межполочный объем, образованный верхней и нижележащей полкой, в котором размещен пакет регулярной насадки 7. Движение потока происходит в обратном направлении к противоположной стенке. Двигаясь по каналам насадки, газожидкостной поток интенсивно перемешивается, происходит дробление капель жидкости, увеличивается площадь контакта фаз (между газом и жидкостью), значительно повышается коэффициент массопередачи. Массобмен между газом и абсорбентом происходит в каналах пакетов насадки как на стенках каналов, так и в объеме канала вследствие турбулизации газожидкостного потока. Далее, через проход в полотне полки, поток поступает на нижележащую секцию и процесс повторяется. Последовательно проходя через все массообменные секции сверху вниз, газожидкостной поток попадает в нижнюю часть аппарата, где скорость потока уменьшается и происходит разделение газа и жидкости. Капли жидкости попадают в кубовую часть аппарата, где поддерживается определенный уровень жидкости (поз.8). Жидкость выводится из аппарата через штуцер 5. Газ проходит через каплеотбойник 9 и выводится через штуцер 4.

Движение газожидкостного потока по сечению аппарата напоминает траекторию движения челнока швейной машинки. Данная организация движения позволяет значительно увеличить длину пути (и, соответственно, время пребывания) потока через регулярную насадку. Это позволяет реализовать необходимое для проведения процесса число ступеней контакта при значительно меньшей высоте насадки в аппарате по сравнению с традиционной противоточной схемой.

При этом с увеличением скоростей потоков возрастают коэффициенты массопередачи и удельная поверхность контакта фаз вследствие диспергирования жидкости (абсорбента). Это приводит к уменьшению рабочего объема аппарата (уменьшение металлоемкости в случае вновь проектируемых аппаратов), либо к увеличению производительности (для существующего оборудования).

Совпадение направления движения потоков газа и жидкости приводит к уменьшению гидравлического сопротивления аппарата.

Кроме этого, при прямоточном движении обеспечивается непрерывный контакт фаз, что также ведет к уменьшению габаритов аппарата (высоты).