МАССООБМЕННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК B01D53/18 C02F1/20 C02F103/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах химводоподготовки на тепловых электростанциях и котельных в качестве декарбонизатора. Кроме того, изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в качестве абсорбера, например, при производстве серной кислоты и в качестве десорбера.

Известны и нашли широкое применение массообменные аппараты, представляющие собой колонну, заполненную кольцами Рашига, в которой в противотоке контактируют жидкость и газ /жидкость подается сверху, а газы - снизу/. "Процессы и аппараты химической технологии", издательство "Химия", Москва, 1963, стр. 599, рис. 17-6, Л. 2. Справочник химика-энергетика под редакцией Голубцова В. А. и др. Государственное энергетическое издательство, Москва, Ленинград, 1958, том второй, стр. 156, 157, фиг. 9-11, 9-12, декарбонизаторы.

Недостатком указанных аппаратов является их громоздкость, большая металло- и материалоемкость.

Менее громоздки и имеют значительно меньшую металло- и материалоемкость аппарата без заполнителя /колец Рашига/, особенно аппараты центробежно-вихревого типа. Например, дегазационная установка, защищенная авторским свидетельством СССР N 1402582, кл. C 02 F 1/20. Она малогабаритна, имеет малую металлоемкость.

Однако в этой установке нет принудительного подвода воздуха, а эжектирующая способность воды оказалась недостаточной /на порядок ниже предусмотренных нормой N: куб. м воздуха на тонну воды/. Но даже при этом снижение содержания углекислоты в воде было до 6 мг/л при норме 4 мг/л, однако этого было недостаточно.

В качестве прототипа всей установки можно принять дегазационную установку, защищенную авторским свидетельством СССР N 1402582, кл. C 02 F 1/20, содержащую в качестве первой ступени центробежно-вихревой массообменник, в качестве второй ступени - контактное устройство в виде эжектора, соединенное с емкостью.

Известный массообменник центробежно-вихревого типа, выбранный в качестве прототипа, имеет цилиндрический корпус с верхней и нижней торцевыми крышками, имеющими центральные отверстия, центробежное контактное устройство (циклон), выполненное в виде обечайки большего диаметра, охватывающей нижнюю часть корпуса, подводящие и отводящие патрубки жидкой и газообразной сред (подводящий патрубок жидкой среды подсоединен тангенциально к верхней части корпуса, подводящий патрубок газообразной среды - к циклону, отводящий патрубок жидкой среды - к циклону, а отводящий патрубок газообразной среды - к верхней крышке корпуса).

Прототип (массообменник центробежно-вихревого типа) был изготовлен и испытан в качестве декарбонизатора на производительность 450 т/ч. Испытания показали ряд недостатков. Не достигнуто расчетное качество удаления углекислоты (десорбции). Причина заключалась в том, что на нижней крышке с центральным отверстием отсутствовал бортик вокруг отверстия. Поток воды имел винтовое движение сверху вниз, при этом вертикальная составляющая скорости (за счет гравитации) была не меньше, чем горизонтальная. В результате не вся вода попадала в отверстия и разбивалась на струи. До половины количества воды сливалось в отверстие нижней крышки, почти не диспергируясь и плохо контактируя с потоком воздуха.

Через патрубок с потоком отработанного воздуха уносились капли влаги, что зимой могло привести к обледенению аппарата.

Недостатком является также большой диаметр корпуса, в котором происходит завихривание воды, при малом же диаметре недостаточна пропускная способность по газам. (При диаметре 1 метр длина окружности - 3,14 м. При таком длинном пути вода теряет свою кинетическую энергию и скорость и увеличивает вертикальную составляющую скорости воды).

Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно: повысить качество десорбции и абсорбции газов и создание установки, позволяющей осуществить способ массообмена между жидкостью и газом, а именно повышение качества десорбции газов из жидкости или абсорбции определенных газов жидкостью (например, при декарбонизации воды или абсорбции соединений серы из потока газов при производстве серной кислоты), сведение к минимуму капельного уноса жидкости без установки дополнительного каплеуловителя, уменьшение потери скорости воды при закрутке воды, чтобы использовать эту скорость для лучшего контакта сред.

Указанная цель достигается тем, что в известном массообменном аппарате центробежно-вихревого типа, содержащем цилиндрический (или составленный из двух цилиндров разного диаметра) корпус с верхней и нижней торцевыми крышками, имеющими центральные отверстия (крышки в виде шайб), центробежное контактное устройство (циклон), выполненное в виде обечайки большего диаметра, охватывающей нижнюю часть корпуса, подводящими и отводящими патрубками жидкой и газообразной сред, из которых по меньшей мере подводящие патрубки (патрубок) жидкой среды подсоединены тангенциально корпусу, к нижней крышке, по кромке отверстия присоединена обечайка диаметром, меньшим диаметра корпуса (отрезок трубы), образующая порог, препятствующий сливу воды через отверстие в крышке. Причем указанный аппарат является только первой ступенью установки. Кроме этого предлагаемая установка имеет аппарат, используемый в качестве второй ступени контакта сред, выполненный в виде вертикальной емкости круглого сечения (цилиндрической) со свободным сливом жидкости в другую емкость (или емкость с регулируемым уровнем), в верхней части которой размещено устройство для диспергирования жидкости (например, выполненное в виде перфорированной трубы или трубы со щелями, соединенной с патрубком, отводящим жидкость из первой ступени установки). При необходимости, ниже этого диспергирующего устройства может быть размещена дырчатая тарелка (другое диспергирующее устройство).

Эта емкость имеет патрубок подвода газообразной среды и патрубок отвода газообразной среды, присоединенный к патрубку подвода газообразной среды аппарата первой ступени установки. Вторая ступень установки выполняется единственной, а аппаратов первой ступени может быть несколько (один, два, три или четыре).

На фиг. 1 показана предлагаемая массообменная установка, продольный разрез.

На фиг. 2 - вариант первой ступени установки (центробежно-вихревого массообменника).

Массообменная установка содержит соединенные между собой последовательно два аппарата: центробежно-вихревой массообменник (первая ступень установки, которых может быть несколько, включенных между собой параллельно), состоящий из деталей 1-13, и капельно-струйный массообменник, состоящий из деталей 14-21. Первая ступень установки (центробежно-вихревой массообменник) содержит цилиндрический корпус 1 (или корпус, составленный из двух цилиндрических обечаек разного диаметра) с верхней 2 и нижней 3 торцевыми крышками, имеющими центральные отверстия, патрубком 4 для отвода отработавшей газообразной среды, порогом 5 (обечайкой, отрезком трубы), тангенциальный патрубок 6 (их может быть два и более), отверстия 7 в нижней части корпуса (отверстия могут быть круглого сечения, в виде продольных щелей или в виде коротких тангенциальных патрубков 7a, центробежное контактное устройство (циклон), имеющее обечайку 8 большего, чем корпус диаметра, в которую опущена нижняя часть корпуса 1, верхнюю крышку 9, нижнюю крышку 10, патрубок подвода газообразной среды 11, представляющий собой отрезок трубы, пропущенный через нижнюю крышку 10, с образованием борта, и соединенный трубой 21 с аппаратом второй ступени, патрубок отвода жидкой среды 12, подсоединенный к корпусу тангенциально (возможно присоединение патрубка 12 к нижней крышке 10a, если она выполнена конической, и если подвод газообразной среды осуществлен трубой 21, подсоединенной тангенциально к обечайке 8, см. вариант на фиг. 2) шайбой 13.

Вторая ступень установки содержит вертикальную цилиндрическую емкость свободного слива 14 (или емкость с регулируемым слоем жидкости в нижней части), в верхней части которой имеется диспергирующее устройство 15, выполненное в виде перфорированной трубы или трубы со щелями, соединенное с отводящим патрубком 12 аппарата первой ступени, второе диспергирующее устройство 16, выполненное в виде тарелки с отверстиями и с бортиком 17. К нижней части емкости 14 присоединен патрубок 18 для подвода газообразной среды (тангенциально, чтобы обеспечить вращательное движение газообразной среды внутри емкости 14) и патрубок 19 для отвода жидкости в емкость-накопитель (на чертеже не показанной) после ее контакта с газами. В верхней части емкости 14 имеется центральный патрубок 20 для отвода отработанной газообразной среды, к которому присоединены трубы 21 для подачи газообразной среды из второй ступени установки в первую. Трубы 21, соединяющие по газообразной среде вторую ступень установки со всеми аппаратами первой ступени, могут быть присоединены к патрубку 20 тангенциально, чтобы лучше использовать энергию вращения газообразной среды.

Работу массообменной установки рассмотрим сначала при использовании ее в качестве десорбера (декарбонизатора воды).

Воду, насыщенную углекислотой, полученной при ее умягчении в водородкатионитовых фильтрах, подают внутрь корпуса 1 через тангенциальный патрубок 6 и вода приобретает вращательное движение, за счет чего свободная углекислота сепарируется за счет центробежных сил и уносится потоком воздуха наружу (через патрубок 4)Далее вода, контактируя с воздухом и перемещаясь по спирали вниз, преодолевает шайбу 13 (установка шайбы необязательна, однако она создает определенную толщину вращающегося слоя жидкости) и попадает в кольцевое пространство между корпусом 1 и обечайкой 5 и далее, через отверстия 7 или через короткие тангенциальные патрубки 7a (см. фиг. 2) попадает в кольцевое пространство между корпусом 1 и обечайкой 8 (попадает в центробежное контактное устройство - циклон). При прохождении через отверстия 7 (патрубки 7a) вода дробится на отдельные струи и капли (диспергируется) и эжектирует воздух. Происходит интенсивный контакт воды с воздухом. Далее вода, сохраняющая вращательное движение, прижимается к стенке 8 и отделяется от воздуха. Происходит сепарация. Отсепарированный воздух вновь возвращается в корпус 1 через обечайку 5 вместе с воздухом, поступающим из трубы 21. Частично декарбонизированная вода, сохраняющая динамический напор вращательного движения, подается через патрубок 12 во вторую ступень установки - в диспергирующее устройство 15 и разбрызгивается внутри емкости 14, контактируя с вращающимся потоком воздуха. Далее вода стекает по стенкам в тарелку 16 и еще раз диспергируется и контактирует с вращающимся потоком воздуха. Окончательно освобожденная от углекислоты вода по трубе 19 стекает в бак-накопитель или подается непосредственно потребителю, если в нижней части емкости 14 удерживается определенный уровень воды. Воздух от дутьевого вентилятора подается в массообменную установку через тангенциальный патрубок 18 и приобретает вращательное движение внутри емкости 14, контактируя с потоками диспергированной воды до и после тарелки 16. (Газообразная среда может быть отсасываема всасывающим вентилятором, если его присоединить к патрубку 4). Далее, частично отработавший воздух подается через патрубок 20, по трубам 21 в один или в несколько центробежно-вихревых массообменников (в первую ступень установки) и контактирует с водой (описано выше). В зависимости от производительности включаются в работу один, два, три или четыре аппарата первой ступени. Например, производительность одного аппарата первой ступени - 120 т/ч, а всей установки - до 480 т/ч. При нагрузке 200 т/ч можно включить два аппарата. На каждом аппарате устанавливаются запорные устройства по жидкости и газу.

Работа установки в качестве абсорбционной аналогична работе в качестве десорбционной. Например, при производстве серной кислоты в тангенциальные патрубки 6 подают серную кислоту, а в патрубок 18 нагнетают (или через этот патрубок отсасывают, если вместо дутьевого имеется отсасывающий вентилятор, присоединенный к патрубку 4) газы, содержащие соединения серы. При многократном контакте серной кислоты с газами сернистые газы поглощаются кислотой. Концентрация серной кислоты возрастает.

Подсоединение подводящего патрубка газообразной среды к емкости и соединение емкости газоходом (трубой) с патрубком подвода газообразной среды центробежно-вихревого аппарата первой ступени позволяют использовать дутьевой или отсасывающий вентилятор для подачи газообразной среды и осуществить более глубокий массообмен между жидкостью и газом (осуществить десорбцию или абсорбцию) за счет увеличения количества газообразной среды и организации двухступенчатого процесса массообмена.

Наличие внутри емкости одной или нескольких диспергирующих тарелок позволяет осуществлять более глубокий процесс массообмена между жидкостью и газами (процесс десорбции или абсорбции газов).

Наличие нескольких, присоединенных параллельно, центробежно-вихревых аппаратов первой ступени и соединение каждого из них газоходом и жидкостепроводом с аппаратом второй ступени позволяют достигнуть большого диапазона регулирования нагрузки (увеличения глубины регулирования нагрузок) от 5 до 100 процентов.

Наличие порога (отрезка трубы, обечайки) с диаметром, равным диаметру отверстия в нижней крышке корпуса центробежно-вихревого аппарата и располагающегося внутри корпуса, позволяет направить весь поток жидкости через отверстия или тангенциальные патрубки и подвергнуть его диспергации и заставить этот поток жидкости эжектировать газообразную среду и интенсивно осуществлять контакт и массообмен между ними.

Пропуск патрубка подвода газообразной среды (от аппарата второй ступени к аппарату первой) через нижнюю крышку центробежно-контактного устройства и установка его с зазором от нижней крышки корпуса (от нижней кромки обечайки, образующей порог), позволяет уменьшить и свести к минимуму капельный унос жидкости газообразной средой. (Например, в варианте аппарата фиг. 2 этот унос будет больше, так как все струи жидкости будет пересекать интенсивный газовый поток, а в варианте фиг. 1 небольшой газовый поток).

Выполнение второй ступени установки в виде вертикальной емкости, подсоединение тангенциально патрубка подвода газообразной среды и наличие в центре верхней крышки отводящего патрубка газообразной среды позволяют этому аппарату работать и как циклон, т.е. сепарировать жидкость к периферии, а газообразную среду освобождать от капель влаги, что значительно уменьшает унос влаги из установки и позволит обходиться без специальных каплеуловителей.

Массообменная установка относится к технике химводоподготовки на тепловых электростанциях и котельных, а также к технике химической технологии и может быть использована в качестве абсорбера или десорбера, например, при производстве серной кислоты. Цель изобретения - повышение качества десорбции газов из жидкости или абсорбции жидкостью определенных газов из общего потока газов. Массообменная установка состоит из двух аппаратов (первой и второй ступени). Первой ступенью является массообменник центробежно-вихревого типа. Второй ступенью установки является емкость с устройством для обеспечения контакта жидкой среды с газообразной. Новым в первой ступени является установка обечайки (отрезка трубы) внутри корпуса на нижней крышке корпуса. Новым в установке является установка патрубка подвода газообразной среды к емкости второй ступени и соединение обеих ступеней по жидкостному и газовому потокам при помощи труб и установка в емкости устройства для диспергирования жидкости. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Массообменная установка, имеющая две ступени последовательно соединенных массообменных аппаратов, первая ступень включает аппарат центробежно-вихревого типа, содержащий цилиндрический корпус, имеющий в нижней части отверстия или тангенциальные патрубки, с верхней и нижней торцевыми крышками, имеющими центральные отверстия, подводящие и отводящие патрубки жидкой и газообразной сред, из которых подводящие патрубки жидкой среды подсоединены тангенциально корпусу первой ступени, вторая ступень включает аппарат, представляющий собой емкость свободного слива или накопительную, в которой размещено устройство для диспергирования жидкости, к которому присоединен патрубок отвода жидкой среды от аппарата первой ступени, отличающаяся тем, что патрубок подвода газообразной среды присоединен к емкости второй ступени и эта емкость соединена трубой или газоходом с патрубком подвода газообразной среды аппарата центробежно-вихревого типа первой ступени, при этом нижняя часть корпуса центробежно-вихревого аппарата первой ступени охвачена обечайкой большего диаметра с верхней и нижней крышками. 2. Массообменная установка по п.1, отличающаяся тем, что внутри емкости второй ступени ниже диспергирующего устройства, выполненного в виде перфорированной трубы или трубы со щелями, располагается по меньшей мере еще одно диспергирующее устройство в виде перфорированной тарелки. 3. Массообменная установка по п.1, отличающаяся тем, что емкость с диспергирующими устройствами, представляющая собой вторую ступень массообменной установки, соединена по потокам газообразной и жидкой сред с несколькими, параллельно установленными аппаратами центробежно-вихревого типа, являющимися первой ступенью массообменной установки. 4. Массообменная установка по п.1, отличающаяся тем, что к нижней крышке корпуса аппарата центробежно-вихревого типа, по кромке отверстия присоединена обечайка диаметром, меньшим диаметра корпуса, образующая порог, препятствующий сливу воды через отверстие в нижней крышке. 5. Массообменная установка по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что патрубок подвода газообразной среды пропущен внутрь центробежно-контактного устройства и установлен с зазором между нижней крышкой корпуса. 6. Массообменная установка по п.1, отличающаяся тем, что корпус емкости выполнен в виде вертикального цилиндра с верхней и нижней торцевыми крышками, патрубок подвода газообразной среды присоединен тангенциально корпусу емкости, а по центру верхней крышки емкости присоединен патрубок отвода газообразной среды. 7. Массообменная установка по п.1, отличающаяся тем, что корпус центробежно-вихревого аппарата выполнен составленным из двух цилиндров.