ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ Российский патент 2000 года по МПК B01D53/18 B01D47/18 

Изобретение относится к процессам и аппаратам химического машиностроения и может быть использовано в энергетической, нефтегазовой, химической, пищевой и других отраслях промышленности для мокрой очистки газов, абсорбции, ректификации (перегонки) и т. п. процессам в системе газ - жидкость.

Из уровня техники широко известно устройство для проведения тепло- и массообменного процесса путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, протекающего на поверхности капель или пленки жидкости в полых (безнасадочных) тарельчатых (каскадных), насадочных пленочных колоннах (см. А. Н. Плановский, П. И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., Химия, 1972, с. 322, 323, 329-331, 373). При этом интенсивность тепло- и массообмена определяется скоростями движения потоков газа и жидкости и в значительной мере зависит от величины и формы поверхности контактирования, однако увеличение (развитие) последней приводит к росту гидравлического сопротивления, уносу капель жидкости, усложнению конструкции и габаритов тепло- и массообменных аппаратов.

Близким к изобретению является устройство для проведения процессов тепло- и массообмена путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков, частично погруженных в жидкость (см. Авт. св. СССР 223766, кл. B 01 D 45/10, 1968 г. ). Основным недостатком данного устройства является то, что интенсивность контактного взаимодействия (газового потока с жидкостью - пленкой на поверхности дисков) определяется скоростью газового потока и частотой вращения дисков, увеличение которых ограничено возможностью срыва пленки и уносом капель.

Известны тепло- и массообменные аппараты, содержащие корпус с газовым каналом и патрубками для подвода и отвода газа, нижняя часть которого заполнена жидкостью, и установленный в корпусе горизонтальный вал с дисками, частично погруженными в жидкость, который снабжен приводом для вращения (см. Авт. св. СССР 262096, кл. B 01 J 8/10, 1970 г.; Авт. св. СССР 971437, кл. B 01 D 45/18, 1981 г.). При этом выполнение дисков в виде сеток или лопастей обеспечивает осевое течение газового потока с достаточно большой скоростью, но не дает возможности существенно развивать поверхность контакта фаз.

Известен также тепло- и массообменный аппарат, содержащий корпус с газовым каналом и патрубками для подвода и отвода газа, в нижней части которого расположена ванна с жидкостью, и вращающейся горизонтальный вал с приводом, снабженный дисками, частично погруженными в жидкость (см. Авт. св. СССР 223766, кл. B 01 D 45/10, 1968 г.). Вал в данном аппарате установлен поперек газового канала, т.е. в плоскости, направленной поперек газового потока, что увеличивает поверхность контакта газа с жидкостью и формирует продольное обтекание дисков с низким гидравлическим сопротивлением, но ограничивает функциональные возможности устройства, т. к. не позволяет эффективно использовать его для массообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с жидкостью.

Наиболее близким к изобретению является механический пленочный тепло- и массообменный аппарат (см. В. М. Рамм, "Абсорбция газов", Москва, "Химия", 1976 г. , стр. 321- 322), содержащий цилиндрический корпус, снабженный разделительными кольцевыми перегородками, образующими секции. В каждой секции на валу закреплен сплошной диск, к каждому из которых по бокам прикреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленных с зазором относительно корпуса, вала и друг друга. В верхней части корпуса установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости. Вал снабжен приводом для вращения. Контактные диски частично погружены в жидкость. Такое устройство аппарата формирует в верхней части корпуса зигзагообразный радиально-осевой газовый канал, а в нижней части - жидкостной канал, что в принципе позволяет эффективно использовать его для тепло- и массообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с пленкой жидкости.

Однако в таких аппаратах возникает противоречие между эффективностью организации процесса тепло- и массообмена и его конструктивной реализацией.

Так с точки зрения повышения эффективности процесса тепло- и массообмена в аппаратах данного типа необходимо обеспечение минимальных осевых зазоров между крайними (в пакетах) кольцевыми контактными дисками и не участвующими в процессе тепло- и массообмена разделительными кольцевыми перегородками (так как последние закреплены в корпусе и их поверхность не покрыта пленкой жидкости), т. е. величена этих зазоров должна быть равна не более половины величины оптимальных зазоров между кольцевыми контактными дисками. Вместе с тем, с точки зрения обеспечения технологичности изготовления и сборки таких аппаратов и их эксплуатации, как показывает практика, при установке, как правило 10 - 16 разделительных кольцевых перегородок, эти зазоры должны быть в 3-6 раз больше величины оптимальных зазоров между кольцевыми контактными дисками, что в свою очередь приводит к перетоку до 50% газа по этим "технологическим" зазорам, минуя процесс тепло- и массообмена на контактных дисках и, как следствие - потере эффективности данных аппаратов.

Отсюда существенным недостатком таких аппаратов является их конструктивная сложность, относительно низкая технологичность изготовления и сборки, вызванные проблемами высокой точности изготовления, поочередной установки и точной фиксации относительно друг друга с заданными осевыми зазорами (с учетом погрешностей изготовления, сборки и температурных расширений): на валу - сплошных дисков с пакетами кольцевых контактных дисков, а в корпусе - разделительных кольцевых перегородок, что ведет к росту габаритов (осевых более чем на 40- 60%), массы конструкции и стоимости аппаратов (на 60-200%) вплоть до потери их конкурентоспособности.

Изобретение направлено на создание компактного, высокоэффективного, технологичного, дешевого контактного тепло- и массообменного аппарата с более высокой удельной производительностью и широкими функциональными возможностями за счет уменьшения перетекания газа по "технологическим" зазорам, увеличения поверхности эффективного контактного взаимодействия газа с пленкой жидкости, организации более интенсивных процессов тепло- и массообмена при контактном взаимодействии газа с пленкой жидкости.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в тепло- массообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженном разделительными кольцевыми перегородками, образующими секции, в каждой из которых на вращающемся валу установлен поперечный сплошной диск, к каждому из которых по бокам прикреплены пакеты кольцевых контактных дисков, которые установлены с зазором относительно корпуса, вала и друг друга, частично погруженными в жидкость, которые совместно формируют зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа, согласно изобретению разделительные кольцевые перегородки закреплены между пакетами кольцевых контактных дисков соосно валу с возможностью совместного вращения с ним, а по внешнему диаметру разделительных кольцевых перегородок установлены (газодинамические, гидродинамические или контактные) уплотнения.

Заявленное конструктивное выполнение\ тепло- и массообменных аппаратов обеспечивает:
- дополнительное задействование поверхностей разделительных кольцевых перегородок в процесс тепло- и массообмена (за счет выполнения ими функций поверхностей контактных дисков в ходе их совместного вращения), что увеличивает эффективность аппаратов на 5-20%;
- в 5 - 15 раз уменьшает или полностью исключает перетекание газа по "технологическим" зазорам между секциями (в зоне разделительных кольцевых перегородок);
- существенно упрощает конструкцию аппаратов, уменьшает на 30-80% их длину и массу, на 60 - 200% стоимость их изготовления.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет увеличить поверхность эффективного контактного взаимодействия газа с пленкой жидкости, обеспечивает возможность организации более интенсивных процессов тепло- и массообмена и, как следствие, рост удельной производительности аппаратов данного типа, а в совокупности обеспечивает существенно более высокую эффективность проведения различных процессов тепло- и массообмена в широком диапазоне сочетания режимных параметров и теплофизических свойств взаимодействующих двух разнофазных сред (газа и жидкости), при безотрывном течении пленки жидкости (абсорбция, ректификация, газоочистка) в горизонтальных аппаратах с вращающимися дисками, которые обуславливают минимальные габариты аппарата, позволяет использовать их в технологических схемах с разнообразными жидкими и газообразными веществами, например для очистки воздуха от твердых частиц и примесей, ректификации нефте- газопродуктов, абсорбции паров углеводородов (фенола, формальдегида, бензина и т. п.) из воздуха, перегонки в системе этанол-вода и т. п., вместо громоздких колонн с высоким гидравлическим сопротивлением.

На чертеже схематично представлен общий вид тепло- и массообменного аппарата.

Тепло- и массообменный аппарат (см. фиг. 1-5) содержит цилиндрический корпус 1, в котором с возможностью вращения установлен горизонтальный вал 2 с закрепленными на нем поперечными сплошными дисками 3, к которым по бокам (например, на стяжках 4 с распорными шайбами 5 (см. фиг. 2)) прикреплены пакеты 6, набранные из кольцевых контактных дисков 7, которые могут быть выполнены, например, гладкими, шероховатыми, перфорированными, ребристыми, сетчатыми и т. п. Кольцевые контактные диски 7 установлены с зазором относительно корпуса, вала и друг друга. Между пакетами кольцевых контактных дисков 6 установлены и закреплены соосно валу 2 разделительные кольцевые перегородки 8, оснащенные по внешнему диаметру уплотнениями 9 (гидродинамическими, газодинамическими (см. фиг. 3) или контактными (см. фиг. 4, 5)), образующими секции 10. В верхней части корпуса 1 образован продольный относительно вала 2 газовый канал 11 с патрубками 12 и 13 для подвода и отвода газа, а в нижней части корпуса 1 образован жидкостной канал 14 с входным и выходным патрубками 15 и 16 для подвода и отвода жидкости, который заполнен жидкостью.

Газовый канал 11 образован зазорами между корпусом и поперечными сплошными дисками 3, кольцевыми контактными дисками 7 и разделительными кольцевыми перегородками 8, формирующими многоходовое зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потока газа. Аналогично в нижней части корпуса образован жидкостной канал 14. Вращение горизонтального вала 2 с сплошными дисками 3, кольцевыми контактными дисками 7 и разделительными кольцевыми перегородками 8 обеспечивается приводом (на чертеже не показано).

Процесс тепло- и массообмена осуществляется следующим образом.

Поток газа проступает в газовый канал 11 через патрубок 12, проходит по полости первой (по ходу движения газа) секции 10, далее по радиальным зазорам между (поперечными) перегородками первого пакета вращающихся кольцевых контактных дисков 7 и дисков 3 и 8, вступая в контактное взаимодействие с потоком жидкости, стекающей в виде пленки с поверхности вращающихся дисков 3, 7 и 8, которые при вращении частично погружаются в смачивающую их жидкость из жидкостного канала 14, далее газ разворачивается на 180^o и поступает в радиальные зазоры между перегородками второго пакета вращающихся кольцевых контактных дисков и т.д. до его выхода из аппарата через патрубок 16.

При этом контактное взаимодействие фаз происходит при радиальном течении потока газа, который, протекая в целом по аппарату в осевом направлении, при последовательном переходе из полостей одного пакета радиальных зазоров - хода газового канала 11 через полость (очередной, по ходу течения газа) секции 10 в следующую, меняет свое (радиальное) направление движения на противоположное, обтекая контактные элементы (вращающиеся диски 7, 3, 8) - с обеих сторон со скоростью W_r, т. е. совершает в пределах газового канала 11 многоходовое, зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное движение.

Безотрывное течение пленки жидкости по поверхности вращающихся дисков 7 (3,8) и реализация центробежного сепарирующего эффекта за счет поворота потока газа исключает возможность возникновения каплеуноса, что приводит к уменьшению габаритов аппарата, поскольку при этом отпадает необходимость в создании значительного сепарационного пространства. Кроме того, наличие конвективных потоков жидкости в стекающей пленке, возникающих при определенной частоте вращения дисков 7 в условиях достаточно сложной перекрестно-смешанной организации относительного движения потоков фаз, в сочетании с допустимым диапазоном скоростей потока газа в зоне контактного взаимодействия фаз системы газ-жидкость (т.е. при радиальном течении в зазорах между поперечными сплошными дисками 3, кольцевыми контактными дисками 7 и разделительными кольцевыми перегородками 8), обуславливает повышение коэффициентов теплопередачи и массопередачи при переходе вещества через поверхность контакта фаз в различных технологических процессах.

Установка разделительных кольцевых перегородок 8 (с уплотнениями по внешнему диаметру) на валу между пакетами кольцевых контактных дисков 6 позволяет не только резко упростить конструкцию тепло- и массообменного аппарата, но и обеспечить высокую технологичность сборки и разборки аппаратов без специальной высокоточной оснастки, повысить их эксплуатационные характеристики.

В зависимости от вида процесса и его требуемой эффективности уплотнения 9 могут выполняться:
- гидродинамическими или газодинамическими, например лабиринтными (см. фиг. 3), что практически не ведет к увеличению мощности электропривода для вращения вала 2;
- контактными - с установкой одного или нескольких (см. фиг.4, 5), например, эластичных резиновых колец 17. Увеличение мощности электропривода для вращения вала 2 в этом случае составляет не более 2-5% от суммарной мощности установки (при на порядок большем положительном эффекте);
- комбинированными - с минимальным ("нулевым") поджатием эластичных уплотнений 17 к стенке корпуса 1 (см. фиг.6).

Приведем доказательства того, что установка разделительных кольцевых перегородок с (даже газодинамическими) уплотнениями приводит к уменьшению доли перепуска и увеличению эффективности аппарата.

Перепад давления между соседними секциями равен Δp = P₁-P₂


где: Σξ_к - сумма гидравлического сопротивления канала;
l_k - длина канала;
λ_тр - коэффициент трения;
d_эк - эквивалентный диаметр канала;
ω_к - скорость газа в канале;
ρ_г - плотность газа.

V = ω_к•f_к,
где V - объемный расход газа в канале;
f_к - площадь сечения канала (между дисками 3, 7, 8).

V_п= F_п•ω_п,
где ξ_п - коэффициент гидравлического сопротивления перепускного канала;
ω_п - скорость газа в перепуске;
V_п - объемный расход газа в перепускном канале.

Доля перепуска (Д_п) газа между секциями по зазору (каналу перепуска) в (лабиринтном) уплотнении определяется следующим образом:

На фиг. 6 приведена зависимость между коэффициентом эффективности контактной ступени (пакета контактных дисков) и долей перепуска газа по зазору (осевому или радиальному) между соседними секциями тепло- и массообменного аппарата.

Из графика (фиг. 6) видно, что с увеличением доли перепуска Д_п эффективность работы контактного элемента уменьшается и при Д_п = 30 - 50% приводит к снижению эффективности данных аппаратов до 0,5 - 0,35.

В аналогах из-за разброса точности изготовления деталей, погрешностей сборки и температурных расширений в процессе эксплуатации (с учетом обеспечения механической работоспособности системы) осевые зазоры между разделительными кольцевыми перегородками и кольцевыми контактными дисками, как правило, превышают величины оптимальных рабочих зазоров между кольцевыми контактными дисками в 3 - 6 раз, что приводит к росту доли перепуска Д_п до 50% и более, ведет к падению эффективности η контактных элементов от 0,7 до 0,35 и как следствие является основной причиной их невостребованности.

При переходе к предлагаемым аппаратам с разделительными кольцевыми перегородками, установленными на валу между пакетами кольцевых контактных дисков и оснащенных газодинамическими уплотнениями по внешнему диаметру, величину можно снизить в 5 - 10 раз и восстановить η от 0,35 до 0,65-0,69.

Очевидно, что при установке контактных уплотнений, доля перепуска Д_п будет близка к нулю, т. е. эффективность η контактных элементов будет близка к максимально возможной ~0,7.

Изобретение относится к аппаратам химического машиностроения. Тепло- и массообменный аппарат содержит цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости. Аппарат снабжен вращающимся валом с установленными на нем соосно с корпусом и валом последовательно чередующимися поперечными сплошными дисками и разделительными кольцевыми перегородками с установленными по их внешнему диаметру газодинамическими, гидродинамическими или контактными уплотнениями. Между дисками и перегородками установлены пакеты, состоящие из кольцевых контактных дисков, установленных с зазором относительно корпуса, вала и друг друга и частично погруженных в жидкость и которые совместно формируют зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа. При этом процесс тепло- и массообмена проводят в условиях безотрывного течения пленки жидкости при контактном взаимодействии потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков, что позволяет увеличить поверхность эффективного контактного взаимодействия газа с пленкой жидкости. 6 ил.

Тепло- и массообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный разделительными кольцевыми перегородками, образующими секции, в каждой из которых на вращающемся вале установлен поперечный сплошной диск, к каждому из которых по бокам прикреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленных с зазором относительно корпуса, вала и друг друга и частично погруженных в жидкость, которые совместно формируют зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа, отличающийся тем, что разделительные кольцевые перегородки закреплены между пакетами кольцевых контактных дисков соосно с валом с возможностью совместного вращения с ним, а по внешнему диаметру разделительных кольцевых перегородок установлены уплотнения.