СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ КОНТАКТА ЖИДКОСТИ И ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01D47/06 

Изобретение относится к технике организации контакта газа и жидкости для тепломассообмена, в частности, для очистки газов от пыли и химических вредных примесей. Изобретение может быть использовано в теплоэнергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности для проведения технологических процессов и решения экологических проблем.

Известен аппарат для контакта жидкости и газа, основным элементом которого служит вихревая камера с распределенным по ее боковой поверхности вводом газа. Вихревой дисперсный слой здесь прилегает к вертикальному или почти вертикальному завихрителю, посредством которого осуществляется ввод газа, так что в зоне контакта поток газа направлен навстречу действию центробежной силы, стабилизирующей слой и возрастающей вместе с увеличением расходной скорости газа. Сепарация компонентов центробежными силами осуществляется непосредственно после их выхода из вихревой камеры. В результате повышается интенсивность и надежность контакта, снимается принципиальное ограничение на величину расхода газа, снижаются габариты устройства. Однако, в силу отсутствия сведений об условиях формирования и разрушения слоя аппараты данного колеса, используются лишь в высокофорсированных режимах, связанных с высокими энергозатратами [1]
Известен способ контакта в вихревой камере с распределенным посредством завихрителя вводом газа, включающий ввод в камеру принудительно диспергированной жидкости, формирование вихревого дисперсного слоя, проведение контакта в слое и центробежную сепарацию компонентов в восходящем газожидкостном потоке. При этом задают размер капель, на которые распыляют жидкость, и диапазон расходных характеристик скорости ввода газа и плотности орошения [2]
Недостатки способа:
1) условия на режимные параметры заданы в размерном виде, пригодном для работы конкретного устройства с конкретными средствами и не обеспечивают формирования вихревого дисперсного слоя и тем самым эффективности контакта при переходе к устройствам других масштабов или к средам с другими физическими свойствами;
2) центробежная сепарация фаз в восходящем потоке эффективна лишь при достаточно малых скоростях потока;
4) принудительное диспергирование жидкости усложняет конструкцию и эксплуатацию оборудования.

Известно устройство, включающее распределительную камеру с тангенциальным патрубком для ввода газа, установленный в ней лопаточный завихритель, примыкающую к ней снизу камеру для ввода жидкости, разделительную камеру с каплеотбойником и средствами вывода фаз, расположенную над распределительной камерой и соединенную с завихрителем соосным с ним патрубком [3]
Недостатки устройства: 1) основной зоной контакта служит осевой патрубок, в котором направление движения газа не согласовано с направлением центробежных сил, что приводит к неустойчивости газожидкостного слоя и брызгоуносу; 2) не указаны условия на параметры устройства, при которых обеспечивается эффективность контакта; 3) элементы конструкции, определяющие проходную способность устройства и интенсивность процесса, выполнены без возможности регулирования; 4) камера для ввода жидкости не снабжена средствами подкрутки жидкости, способными стабилизировать и интенсифицировать процесс; 5) конфигурация устройства, в частности, взаимное расположение камер, вместе с другими недостатками приводит к необходимости установки каплеотбойника и увеличения габаритных размеров.

Задачи предлагаемого изобретения: обеспечение эффективного контакта газа и жидкости в широком диапазоне режимных параметров при снижении энергозатрат и массогабаритных характеристик контактных устройств, повышение надежности их проектирования и упрощение эксплуатации.

Способ контакта включает распределенный по поверхности вихревой камеры посредством завихрителя ввод газа, ввод жидкости и ее диспергирование сформированными завихрителем струями газа, формирование вихревого дисперсного слоя, проведение контакта в слое и центробежную сепарацию компонентов в нисходящем газожидкостном потоке, при этом режимные характеристики процесса выбирают, исходя из условий существования вихревого дисперсного слоя.

Диспергирование жидкости струями газа, посредством которых в камере формируется вихревой поток, позволяет существенно упростить конструкцию и эксплуатацию контактных устройств в особенности при работе со средами, составляющими отложения на элементах конструкции.

Центробежная сепарация фаз в нисходящем потоке и соответственно спутное движение ядра потока и осажденной на поверхности сепаратора пленки жидкости позволяют избежать захлебывания потока и предотвратить вторичный каплеунос при гораздо больших расходных скоростях газа, чем в восходящем потоке. Тем самым повышается эффективность сепарации и снижаются габариты контактного устройства.

Основной элемент способа состоит в указании безразмерных комплексов, ответственных за процессы формирования и разрушения вихревого дисперсного слоя в вихревой камере и выявленных на основе физического анализа этих процессов:
W = 1,4 G_г[λ/(ρ_жρ_гgh²R³)]^1/2
M 10 (G_ж/G_г)(h/R)^1/2
где W приведенный расход газа;
M приведенный относительный расход фаз;
G_г и G_ж массовый расход газа и жидкости, кг/с;
ρ_г и ρ_ж плотность газа и жидкости, кг/м³;
g ускорение свободного падения, м/с²;
h высота завихрителя, м;
R радиус завихрителя, м;
λ степень закрутки потока газа (отношение тангенциальной составляющей скорости ввода к расходной скорости), определяемая структурная завихрителя.

При запуске аппарата необходимо учитывать явление гистерезиса, состоящее в том, что возможность формирования слоя зависит не только от значений расходных параметров, но и от последовательности их установки, т.к. условия формирования слоя являются более жесткими, чем условия его существования.

Простейшая формулировка условий формирования слоя выражается неравенствами:
W ≥ 1, M≥2 (1)
По способу при загрузке камеры действуют следующим образом: устанавливают расходные характеристики так, чтобы выполнялись условия (1), формируют слой, а затем уменьшают параметры M (например, при постоянном расходе газа снижают расход жидкости) в пределах выполнения условий (2)
W ≥1, M≥1 (2)
Пример реализации способа.

Проводилась очистка воздуха от мелкодисперсной пыли (средний размер частиц -5 мкм) при нормальной производительности 10000 м³/час на опытно-промышленном устройстве с параметрами: P 0,3 м, h 0,72 м. Вихревой дисперсный слой формировался при расходе воздуха 7000 м³/час и расходе воды 3 м³/час. При этом сопротивление аппарата составляло 80 мм вод. ст. При расходах воздуха больше 12000 м³/час для формирования слоя достаточно было расхода воды 1 м³/час. При номинальном расходе воздуха сопротивление составляло 160 мм рт. ст. а средняя степень очистки 99,5% Тот же аппарат за счет регулировки геометрических параметров завихрителя был приспособлен для очистки воздуха с расходом 18000 м³/час и показал аналогичные результаты по эффективности при том же сопротивлении.

На фиг. 1 представлен продольный разрез предложенного устройства, на фиг. 2 разрез по А-А фиг. 1.

Устройство содержит: распределительную камеру 1 с тангенциальным патрубком ввода газа 2, установленный в ней осесимметричный лопаточный завихритель 3, примыкающие к нему с разных сторон по вертикали и соосные с ним камеру ввода жидкости 4 и разделительную камеру (сепаратор ) 5. Камера 4 снабжена средствами подвода жидкости, например, тангенциальным штуцером 6, разделительная камера содержит патрубок 7, служащий ее корпусом, соосный с патрубок 8 вывода газа и штуцер 9 вывода жидкости.

Устройство работает следующим образом.

Поступающий через патрубок 2 газ распределяется по объему камеры 1 и проходит через завихритель 3, формирующий равномерно распределенные по периметру тангенциальные струи. Поступающая через штуцер 6 жидкость равномерно распределяется в камере 4 по периметру, попадает в вихревой поток газа и центробежными силами отбрасывается к внутренней поверхности завихрителя, где она диспергируется струями газа. В результате формируется вихревой дисперсный слой 10, в котором происходят процессы межфазного обмена. После контакта в слое компоненты сепарируются в камере 5. Жидкость осаждается центробежными силами на поверхность патрубка 7 и выводится с помощью штуцера 9. Газ выводится из устройства через патрубок 8. При работе с сильно запыленными или нагретыми газами целесообразна организация предварительной ступени контакта непосредственно в распределенной камере 1. Для этого устройство оснащают дополнительным штуцером подвода жидкости 11 и штуцером ее вывода 12.

С целью обеспечения эффективного контакта геометрические параметры завихрителя согласовывают с расходными и физическими параметрами процесса таким образом, чтобы выполнялось условие формирования вихревого дисперсного слоя W≥1. С учетом определения комплекса W и того, что для лопаточного завихрителя:
l=sinβ/S,
где S относительное проходное сечение;
β угол наклона лопаток радиусу, это приводит к неравенству:
sinβ/s > 0,5 ρ_жρ_г gh²R³/G2г

.

С целью расширения рабочего диапазона режимных параметров для данного устройства завихритель выполняют с возможностью регулирования угла наклона лопаток.

Для повышения устойчивости слоя и облегчения условий его запуска ввод жидкости и газа в зону контакта делают по возможности разномерным. Этому служат средства подкрутки жидкости в камере 4, например, тангенциальный штуцер подвода 6. Та же задача решается с помощью разнесения по высоте тангенциального патрубка 2 и завихрителя 3. При этом габаритные размеры устройства не увеличиваются за счет выбора компоновки устройства разделительной камерой 5, частично расположенной внутри распределительной камеры 1.

Для повышения эффективности центробежной сепарации фаз ее осуществляют в нисходящем спутном потоке, для чего разделительную камеру 5 располагают под завихрителем. Это позволяет увеличить расходную скорость газа в сепараторе и тем самым уменьшить его диаметр. Поскольку качество сепарации в центробежных устройствах зависит от "числа калибров", то уменьшается и высота сепаратора.

Использование: для очистки газов от пыли и химических вредных примесей в теплоэнергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности для проведения технологических процессов и решения экологических проблем. Сущность изобретения: способ контакта в вихревой камере с распределенным вводом газа, включает ввод и диспергирование жидкости, формирование вихревого дисперсного слоя, проведение контакта в слое и центробежную сепарацию компонентов. Режимные характеристики процесса выбирают, исходя из условий существования вихревого дисперсного слоя, которые определены посредством безразмерных комплексов, ответственных за процессы формирования и разрушения слоя. Устройство, реализующее способ, включает средства, обеспечивающие диспергирование жидкости вихревым потоком газа, удерживание вихревого дисперсного слоя, центробежную сепарацию в нисходящем газожидкостном потоке. Геометрические параметры, определяющие пропускную способность устройства и эффективность контакта, выбирают в соответствии с условиями формирования слоя. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ организации контакта жидкости и газа в вихревой камере с распределенным посредством завихрителя вводом газа, включающий ввод в камеру жидкости, формирование вихревого дисперсного слоя, проведение контакта в слое и центробежную сепарацию компонентов, отличающийся тем, что режимные характеристики процесса выбирают, исходя из условий существования вихревого дисперсного слоя, определенных посредством безразмерных комплексов
W = 1,4 G_г[λ/(ρ_жρ_гgh²R³)]^1/2;
M = 10 (G_ж/G_г)(h/R)^1/2,
где W приведенный расход газа;
М приведенный относительный расход фаз;
G_г и G_ж массовые расходы газа и жидкости, кг/с;
ρ_г и ρ_ж - плотности газа и жидкости, кг/м³;
g ускорение свободного падения, м/с²;
h высота завихрителя, м;
R радиус завихрителя, м;
λ - степень закрутки потока газа. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при запуске вихревой камеры режимные характеристики выбирают, исходя из неравенств
W ≥ 1, M ≥ 2,
а затем выполняют условия
W ≥, M ≥ 1. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость диспергируют струями газа, сформированными завихрителем, а сепарацию осуществляют в нисходящем газожидкостном потоке. 4. Устройство для организации контакта жидкости и газа, включающее распределительную камеру с тангенциальным патрубком для ввода газа, установленный в ней осесимметричный лопаточный завихритель, примыкающие к нему с разных сторон по вертикали и соосные с ним камеру для ввода жидкости и разделительную камеру, отличающееся тем, что геометрические параметры завихрителя выбирают из условия
sinβ/s > 0,5 ρ_жρ_г gh²R³/G2г

,
где S относительное проходное сечение завихрителя;
β - угол наклона лопаток к радиусу;
ρ_ж и ρ_г - плотности жидкости и газа, кг/см³;
g ускорение свободного падения, м/с²;
h высота завихрителя, м;
R радиус завихрителя, м;
G_г массовый расход газа, кг/с. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что завихритель выполнен с возможностью регулирования угла наклона лопаток, камера для ввода жидкости снабжена закручивающими элементами и расположена над завихрителем, а разделительная камера установлена под завихрителем и частично расположена внутри распределительной камеры, при этом патрубок для ввода газа и завихритель разнесены по высоте.