ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК B01D3/30 

Изобретение относится к устройствам для проведения тепломассообмена в системе газ-жидкость или жидкость-жидкость и может быть использовано в пищевой, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с коаксиально расположенными друг над другом с зазором верхними и нижними вихревыми трубами постоянного внутреннего диаметра, закрепленными в трубных решетках и оснащенных закручивающими устройствами, приемной камерой для газа и приемными камерами для жидкости, соединенными втулками, верхние части которых выступают за зазор между верхними и нижними вихревыми трубами, а нижние расположены в этом зазоре, патрубками для ввода и вывода хладагента, расположенными между трубными решетками, сепарационной камерой и камерами вывода жидкости, причем нижние вихревые трубы выполнены с винтовыми канавками постоянной ширины и глубины на внутренней поверхности, и снабжены двумя фазоотделителями, один из которых посажен по внутреннему диаметру вихревой трубы, а второй размещен в нем с образованием зазора, сообщенными с разными камерами вывода жидкости.

Недостатком этого аппарата является экстенсивность тепломассообмена из-за отсутствия послойного перемешивания реагентов при обновлении поверхностей контакта фаз.

В предлагаемом вихревом тепломассообменном аппарате, содержащем корпус с коаксиально расположенными друг над другом с зазором верхними и нижними вихревыми трубами, закрепленными в трубных решетках с оснащенными закручивающими устройствами, приемной камерой для газа и приемными камерами для жидкости, соединенными втулками, верхние части которых выступают за зазор между верхними и нижними вихревыми трубами, а нижние расположены в этом зазоре, патрубками для ввода и вывода хладагента, расположенными между трубными решетками, операционной камерой и камерами вывода жидкости, причем нижние вихревые трубы выполнены с винтовыми канавками на внутренней поверхности и снабжены двумя фазоотделителями, один из которых посажен по внутреннему диаметру вихревой трубы, а второй размещен в нем с образованием зазора, сообщенными с разными камерами вывода жидкости, согласно изобретению винтовые канавки выполнены с плавно периодически изменяющимися в противоположные стороны глубиной и шириной с обеспечением постоянства площади поперечного сечения канавки, желательно с неравными и некратными шагом нарезки и шагом изменения глубины и ширины.

Такое выполнение аппарата обеспечивает послойное перемешивание жидкого реагента в винтовой канавке и ускорение обновления поверхности контакта фаз на границе жидкость-жидкость, интенсифицируя тепломассообмен между ними.

В предпочтительном варианте нижние вихревые тубы выполнены с плавно периодически изменяющимся внутренним диаметром.

Это позволяет интенсифицировать тепломассообмен за счет послойного перемешивания жидкого реагента на внутренней поверхности нижней вихревой трубы и газового реагента и ускорения обновления поверхностей контакта фаз на границах жидкость-жидкость и газ-жидкость.

В этом случае желательно выполнение нижних вихревых труб с непрерывными и некратными шагом изменения глубины и ширины винтовых канавок и/или шагом нарезки винтовых канавок и шагом изменения внутреннего диаметра.

Это позволяет исключить предпочтительное восстановление поверхностей контакта фаз и интенсифицирует тепломассообмен между всеми тремя реагентами.

На чертеже изображен вихревой тепломассообменный аппарат, продольный разрез.

Вихревой тепломассообменный аппарат содержит корпус 1 с коаксиально расположенными друг над другом с зазором верхними 2 и нижними 3 вихревыми трубами, закрепленными в трубных решетках 4-9 и оснащенных закручивающими устpойствами 10. Трубные решетки 4-9 отделяют в корпусе 1 приемную камеру 11 для газа с патрубками 12 ввода газа, приемные камеры для жидкости по числу реагентов (например, для двух) 13 и 14 с патрубками 15 и 16 ввода реагентов соответственно, теплообменную камеру 17 с патрубками 18 и 19 для ввода и вывода хладагента соответственно, основную 20 и дополнительную 21 камеры для слива жидкой фазы с патрубками 22 и 23 вывода жидкой фазы соответственно и сепарационную камеру 24 с патрубками 25 и 26 для слива конденсата и отвода газа соответственно. На внутренней поверхности нижних вихревых труб 3 выполнена винтовая канавка 27 с плавно периодически изменяющимися в противоположные стороны глубиной h и шириной b с обеспечением постоянства площади поперечного сечения S канавки 27, желательно с неравномерными и некратными шагом Р₁ изменения b и h и шагом Р₂ нарезки, на выходе установлены основной 28 и дополнительный 29 фазоотделители, последний из которых посажен по ее внутренней поверхности, соединенные внешними поверхностями с камерами 20 и 21 соответственно. Верхняя приемная камера 13 соединена с нижней вихревой трубой 3 через втулки 30, верхние части которых выступают за пределы зазора между вихревыми трубами 2 и 3, а нижние расположены в зазоре и посажены по внутренней поверхности труб 3. Нижние вихревые трубы 3 выполнены с плавно периодически изменяющимся внутренним диаметром d. Шаг Р₁ изменения b и h и/или шаг Р₂ нарезки канавки 27 не являются равными или кратными шагу Р₃ изменения d.

Вихревой тепломассообменный аппарат работает следующим образом.

Жидкая фаза, например С₃Н₆ (реагент-1), и катализатор, например ССl₄, подаются через патрубки 15 и 16 соответственно в приемные камеры 13 и 14 соответственно. Из камеры 13 жидкая фаза (реагент-1) по кольцевому зазору между вихревой трубой 2 и втулкой 30 стекает в вихревую трубу 3 в виде кольцевой тонкой пленки, толщина которой и расход регулируются путем перемещения трубы 2 в решетке 4 и попадает на пленку жидкой фазы (катализатор), стекающий из камеры 14 по винтовой канавке 27 вихревой трубы 3, с разными скоростями и траекториями движения слоев, что постоянно обновляет поверхность контакта их пограничных слоев. Через патрубок 12 в камеру 11 подается сжатый газ, например Сl₂, (реагент-2), который, пройдя через каналы закручивающего устройства 10, размещенного в верхней вихревой трубе 2, попадает в виде закрученного газового потока в вихревую реакционную трубу 3, закрепленную в решетках 6 и 7, где вследствие наличия центробежных сил и трения контактирует с поверхностью жидкой фазы (реагент-1), закручивая ее, создавая волновую форму течения на ее поверхности, интенсифицируя одновременно процесс тепломассообмена по поверхности контакта жидкой фазы (реагент-1) с катализатором за счет различных скоростей и траекторий движения и с газовой фазой (реагент-2) за счет волновой структуры движения, движется вместе с ними к сепарационной камере 24. Разница траекторий движения двух слоев пленки жидкой фазы (реагент-1 и катализатор) объясняется тем, что свободно движущийся по внутренней поверхности трубы 3 слой пленки реагента-1 постоянно раскручивается по мере удаления от закручивающего устройства 10, а слой пленки катализатора не имеет такой возможности, так как его траектория жестко задана геометрией канавки 27. В то же время изменение b и h при сохранении постоянства S приводит к послойному перемешиванию пленки катализатора в канавке 27 за счет выдавливания периферийных слоев к оси трубы 3 при уменьшении h и увеличении b и смешиванию их при увеличении h и уменьшении b. Постоянство параметра S исключает выдавливание катализатора из канавки 27 в полость трубы 3 при изменении b и h и всасывание в канавку 27 жидкой фазы (реагент-1). Неравенство Р₁ и Р₂ обеспечивает хаотичность характера изменения состояния потока катализатора относительно потока реагента-1. Изменение d аналогичным образом приводит к истончению пленки жидкой фазы (реагент-1) при увеличении d с одновременным падением ее скорости и увеличению ее толщины и скорости при уменьшении d. Это приводит к послойному перемешиванию пленки жидкой фазы (реагент-1) и ускорению обновления поверхностей контакта фаз на границах жидкость-жидкость и газ-жидкость. Кроме того, изменение d приводит к падению давления и скорости газового потока (реагент-2) при его увеличении и увеличению давления и скорости газового потока (реагент-2) при его уменьшении. Это создает турбулентный характер движения газового потока (реагент-2) и его послойное перемешивание, а также ускоряет диффузионный тепломассообмен за счет пульсации давления. Несовпадение и отсутствие кратности P₁ и/или P₂ и P₃ исключает возможность предпочтительного восстановления поверхности контакта фаз и повышает хаотичность сочетаний изменений состояния потоков реагентов, что интенсифицирует тепломассообмен. В итоге в наиболее предпочтительном варианте выполнения аппарата достигается послойное перемешивание всех трех реагентов и хаотическое изменение по направлению потоков их состояний, что интенсифицирует тепломассообменные процессы на обеих границах раздела фаз. Отделение наружного слоя пленки жидкой фазы (катализатор) происходит в размещенном соосно трубе 3, посаженному по ее внутреннему диаметру и закрепленному в решетке 8 фазоотделителе 29, с последующим удалением из камеры 21 через патрубок 23 и возвратом в технологический процесс, а отделение внутреннего слоя пленки жидкой фазы, т.е. продукта реакции, происходит в соосно размещенном и закрепленным в трубной решетке 9 фазоотделителе 28, при этом продукт реакции удаляется из камеры 20 через патрубок 22, а газовая фаза, пройдя через фазоотделитель 28, попадает в сепарационную камеру 24, откуда выводится из аппарата через патрубок 26, а выпадающий из нее при адиабатном расширении на выходе из фазоотделителя 28 конденсат и частично уносимая жидкая фаза скапливаются в камере 24 и периодически удаляются через патрубок 25. Для охлаждения или нагрева вихревых труб 3 в теплообменную камеру 17 корпуса 1 через патрубок 18 может подаваться теплоноситель или хладагент, который затем выводится через патрубок 19. В случае проведения реакции между двумя и более жидкими реагентами число приемных камер 13 и втулок 30 может быть увеличено по числу жидких реагентов. В случае, когда газовая фаза не участвует в реакции, например при стабилизации вин ионообменом, в приемную камеру 14 подают инертный газ, например CO₂.

Таким образом, технические преимущества данного аппарата по сравнению с известным заключается в повышении эффективности тепломассообмена за счет послойного перемешивания реагентов и ускорения обновления поверхностей контакта фаз.

Использование: в пищевой, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности для проведения тепломассообменных процессов в системе газ-жидкость или жидкость-жидкость. Сущность изобретения: нижние вихревые трубы выполнены с переменными глубиной и шириной винтовой канавки на внутренней поверхности, обеспечивающей постоянство площади ее поперечного сечения для интенсификации тепломассообмена при послойном перемешивании пленки одного из жидких реагентов и ускорении обновления поверхности контакта фаз. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ВИХРЕВОЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ, содержащий корпус с коаксиально расположенными друг над другом с зазором верхними и нижними вихревыми трубами, закрепленными в трубных решетках и оснащенными закручивающими устройствами, приемной камерой для газа и приемными камерами для жидкости, соединенными втулками, верхние части которых выступают за зазор между верхними и нижними вихревыми трубами, а нижние расположены в этом зазоре, патрубками для ввода и вывода хладагента, расположенными между трубными решетками, сепарационной камерой и камерами вывода жидкости, причем нижние вихревые трубы выполнены с винтовыми канавками на внутренней поверхности и снабжены двумя фазоотделителями, один из которых посажен по внутреннему диаметру вихревой трубы, а второй размещен в нем с образованием зазора, сообщенными с разными камерами вывода жидкости, отличающийся тем, что винтовые канавки выполнены с плавно периодически изменяющимися в противоположные стороны глубиной и шириной с обеспечением постоянства площади поперечного сечения канавки. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что канавки выполнены с неравными и некратными шагом нарезки и шагом изменения глубины и ширины. 3. Аппарат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нижнее вихревые трубы выполнены с плавно периодически изменяющимся внутренним диаметром. 4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что нижние вихревые трубы выполнены с неравными и некратными шагом изменения глубины и ширины винтовых канавок и шагом изменения внутреннего диаметра. 5. Аппарат по пп.3 и 4, отличающийся тем, что нижние вихревые трубы выполнены с неравными и некратными шагом нарезки винтовой канавки и шагом изменения внутреннего диаметра.