ВИХРЕВОЙ АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С НИСХОДЯЩИМ ПОТОКОМ ФАЗ Российский патент 2006 года по МПК B01D53/18 B01D47/06 B01D3/30 

Изобретение относится к устройствам для проведения физико-химических процессов, а именно процессов абсорбции, десорбции, пылегазоочистки, осушки, смешения и охлаждения газов, и может быть использовано в химической, нефтехимической, металлургической промышленности.

Известен полый вихревой аппарат с нисходящим потоком контактирующих фаз, в цилиндрическом корпусе которого установлен завихритель. Жидкость в аппарат подается по оси через ороситель по всей высоте и выводится из аппарата в нижней его части. Для дополнительного орошения внутри завихрителя установлен жидкостный коллектор (А.с. СССР №1346209, кл. В 01 D 47/06, Бюл. №39 от 23.10.1987 г.). Жидкость и газ в этом аппарате движутся в нисходящем потоке по направлению сил тяжести, а жидкость распыляется механическими устройствами без затрат энергии газового потока.

Недостатком этого аппарата является низкая эффективность, т.к. жидкость подается в зону сепарации аппарата.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов с нисходящим потоком фаз, имеющий корпус, вихревое контактное устройство (ВКУ) выпуклой формы, состоящее из сепаратора, тангенциальных пластин и тарелок, тангенциальный патрубок входа газа, патрубки подвода и отвода фаз. Над вихревым контактным устройством установлен дисково-цилиндрический ороситель, а в нижней части корпуса расположена выхлопная труба (см. патент РФ №2232625, кл. В 01 D 47/06, В 04 С 3/00. Бюл. №20 от 20.07.2004 г.).

В этом аппарате газовый поток поступает через тангенциальный патрубок в верхнюю часть и приобретает предварительную крутку. Жидкость через дисково-цилиндрический ороситель подается к наружной верхней части пластин ВКУ и стекает по ним вниз. Газ, проходя через щели, образованные тангенциальными пластинами, раскручивается, срывает жидкость с поверхности пластин и диспергирует ее. На внутренней поверхности ВКУ образуется вращающийся высокотурбулентный капельный слой жидкости, который контактирует с вновь входящими порциями газового потока. При этом происходит основная доля тепломассообмена. При однонаправленном нисходящем движении фаз энергия газового потока расходуется в основном только на диспергирование жидкости, затраты энергии на ее транспорт минимальны, что способствует снижению гидравлических потерь. Такое конструктивное решение вихревого аппарата обеспечивает, по мнению авторов, повышение эффективности тепломассообмена при малом гидравлическом сопротивлении. Недостатком этого аппарата является низкая эффективность тепломассообмена при больших расходах газовой и жидкой фаз. При больших расходах газа и жидкости уменьшается время и поверхность контакта фаз. Это снижает эффективность процесса.

Задачей данного изобретения является создание вихревого аппарата для проведения различных физико-химических процессов, позволяющего увеличить время и поверхность контакта фаз, повысить эффективность тепломассообмена при больших расходах по газовой и жидкой фаз, увеличить диапазон эффективной работы аппарата.

Поставленная задача решается тем, что в вихревом аппарате с нисходящим потоком фаз по высоте тангенциальных пластин вихревого контактного устройства установлены горизонтальные дисковые перегородки, причем дисковые перегородки и верхнее основание вихревого контактного устройства в области крепления тангенциальных пластин выполнены с кольцевыми щелями, а на внешнем и внутреннем срезах дисковых перегородок, верхнем срезе верхнего основания вихревого контактного устройства установлены кольцевые буртики.

Кроме того, сепаратор выполнен в форме усеченной конусной обечайки, диаметр нижнего среза которой составляет 0,75÷0,9 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства.

А также, число вихревых контактных устройств находится в пределах от 1 до 3, причем расстояние между верхним основанием вихревого контактного устройства и нижним срезом сепаратора вышележащего вихревого контактного устройства составляет 0,3÷1,0 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства.

Преимущество предлагаемого аппарата заключается в том, что установленные по высоте тангенциальных пластин вихревого контактного устройства горизонтальные дисковые перегородки позволяют разделить газожидкостной поток, входящий в ВКУ на несколько потоков, благодаря чему возрастает массовое отношение расходов газовой и жидкой фаз в каждом потоке, что способствует увеличению времени и поверхности контакта фаз. Выполнение горизонтальных дисковых перегородок и верхнего основания вихревого контактного устройства в области крепления тангенциальных пластин с кольцевыми щелями позволяет обеспечить сплошную жидкостную завесу между тангенциальными пластинами ВКУ перед входящими свежими порциями газожидкостного потока. Расположение кольцевых буртиков на внешнем и внутреннем срезах дисковых перегородок, а также на верхнем срезе верхнего основания вихревого контактного устройства позволяет обеспечить распределение жидкости, разделяющейся на несколько потоков: основной части жидкости, стекающей через кольцевые щели, и оставшейся части жидкости, перетекающей через кольцевые буртики. При этом образуется несколько жидкостных завес, через которые проходит газожидкостной поток. Выполнение сепаратора в форме усеченной конусной обечайки позволяет увеличить толщину падающего слоя жидкости и повысить эффективность массообмена. Выбор величины диаметра нижнего среза сепаратора, величина которого составляет 0,75÷0,9 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства, определяется условиями свободного истечения закрученного газожидкостного потока из сепаратора. При таком соотношении размеров жидкость стекает равномерно по всему периметру сепаратора с одинаковой толщиной пленки. При величине диаметра нижнего среза сепаратора менее 0,75 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства возрастает гидравлическое сопротивление аппарата за счет уменьшения доли сечения выхода газового потока. При величине более 0,9 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства возрастает доля потока жидкости, стекающей в кольцевое пространство между ВКУ и корпусом аппарата, что приводит к снижению эффективности массообмена.

Увеличение числа вихревых контактных устройств в вихревом аппарате в пределах от 1 до 3 приводит к повышению эффективности тепломассообменных процессов за счет ликвидации проскока газа без взаимодействия с жидкостью при прохождении газожидкостного потока через вихревые контактные устройства.

Выбор расстояния между верхним основанием вихревого контактного устройства и нижним срезом сепаратора вышележащего вихревого контактного устройства, равным 0,3÷1,0 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства, определяется гидравлическим сопротивлением и условиями стекания закрученного газожидкостного потока из сепаратора на нижележащее вихревое контактное устройство. При таком соотношении размеров вся жидкость из сепаратора стекает на верхнее основание нижележащего ВКУ в виде сплошной завесы, а газовый поток проходит через эту жидкостную завесу и поступает на нижележащую ступень. При величине расстояния менее 0,3 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства возрастает гидравлическое сопротивление аппарата, а при расстоянии более 1,0 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства снижается эффективность взаимодействия фаз за счет разрыва сплошности падающего слоя жидкости и проскока газа без контакта с жидкостью.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез вихревого аппарата, на фиг.2 - разрез А-А, на фиг.3 - вид Б, на фиг.4 - вид В, на фиг.3 - продольный разрез вихревого аппарата с 3-мя ВКУ.

Вихревой аппарат с нисходящим потоком фаз содержит корпус 1, крышку 2, днище 3, смесительную зону 4, закручивающую зону 5 с вихревым контактным устройством 6, состоящим из верхнего основания 7, тангенциальных пластин 8, тарелки 9, сепаратора 10, сепарирующую зону 11, патрубки входа и выхода газа 12 и 13, патрубки подвода и отвода жидкости 14 и 15. По высоте тангенциальных пластин вихревого контактного устройства установлены горизонтальные дисковые перегородки 16. Дисковые перегородки и верхнее основание вихревого контактного устройства в области крепления тангенциальных пластин выполнены с кольцевыми щелями 17 и 18. На внешнем и внутреннем срезах горизонтальных дисковых перегородок, на внешнем срезе верхнего основания вихревого контактного устройства установлены кольцевые буртики 19, 20 и 21. На крышке аппарата и на верхнем основании завихрителя установлены распределители жидкости 22 и 23, снабженные форсункам 24 и 25. Сепаратор выполнен в форме усеченной конусной обечайки, диаметр нижнего среза которой составляет 0,75÷0,9 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства. При многоступенчатой компоновке аппарата число вихревых контактных устройств находится в пределах от 1 до 3, причем расстояние между верхним основанием вихревого контактного устройства и нижним срезом сепаратора вышележащего вихревого контактного устройства составляет 0,3÷1,0 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства.

Рассмотрим работу вихревого аппарата с нисходящим потоком фаз на примере абсорбции триоксида серы в производстве серной кислоты. Этот процесс характеризуется высокими расходами газовой фазы (G=40÷260)10³ м³/ч при массовом отношением расхода жидкости (L) к расходу газа (G) в пределах: L/G=8÷10. Расход жидкости (серной кислоты) значительно превышает расход газовой фазы.

Газы, содержащие 7-14% триоксида серы при температуре до 280°С поступают через тангенциальный патрубок 12 в смесительную зону 4 аппарата и приобретают вращательное движение. Жидкость (серная кислота) подается в распределитель жидкости 22 и распыляется форсунками 24 в виде мелкодисперсных капель в газовом потоке. В смесительной зоне закрученный газовый поток смешивается с мелкодисперсными каплями жидкости. Часть распыленных капель жидкости осаждается на верхнем основании вихревого контактного устройства. Основная часть осажденной жидкости стекает через кольцевую щель 17 на нижележащую дисковую перегородку 16, образуя жидкостную завесу. Оставшаяся часть жидкости переливается через кольцевой буртик 21 и стекает по наружной поверхности вихревого контактного устройства 6, также образуя жидкостную завесу. Газожидкостной поток проходит через две жидкостные завесы. При прохождении между тангенциальными пластинами 8 газовый поток разделяется горизонтальными дисковыми перегородками 16 на несколько потоков. При этом каждый газовый поток взаимодействует с орошающей жидкостью, стекающей через кольцевые щели 17 верхнего основания 7 вихревого контактного устройства и кольцевые щели 18 дисковых перегородок, что обеспечивает увеличение времени и поверхности контакта газовой и жидкой фаз. Далее закрученный газовый поток с диспергированной серной кислотой поступает внутрь завихрителя через щели, образованные тангенциальными пластинами ВКУ. При выходе из щелей завихрителя газожидкостной поток приобретает вращательное движение. На внутренней поверхности вихревого контактного устройства образуется вращающийся высокотурбулентный газожидкостной поток, который постоянно орошается каплями жидкости, распыляемой форсунками 25, установленными на верхнем основании завихрителя, а также контактирует с вновь входящими порциями газового потока. Вращающийся газовый поток с диспергированной серной кислотой движется в нисходящем потоке внутри завихрителя. Движение распыляемой форсунками жидкости организовано таким образом, что она образует на каждой вихревой ступени объем высокодиспергированных капель жидкости, в котором происходит интенсивный процесс абсорбции SO₃. При соударении капель жидкости и при ударе их о пластины завихрителей происходит многократное обновление поверхности контакта фаз и увеличение степени абсорбции триоксида серы. Вращающийся газожидкостной поток через сепаратор 10 поступает в нижнюю часть абсорбера, в зону сепарации газовой и жидкой фаз. При этом газовый поток проходит через завесу жидкости, стекающей из сепаратора. Отделившая от газового потока жидкость через патрубок 15 отводится из аппарата. Газовая фаза, отсепарированная от капель жидкости, выходит через патрубок 13 из аппарата.

Процесс абсорбции триоксида серы сопровождается химической реакцией с выделением значительного количества тепла. Для увеличения скорости и степени абсорбции триоксида серы необходимо снижение температуры газовой и жидкой фаз. Большой расход жидкости и эффективное смешение газожидкостного потока в вихревом контактном устройстве максимально увеличивают интенсивность тепломассопередачи. При трехступенчатом движении жидкости и газового потока через три вихревых контактных устройства увеличиваются скорость и степень абсорбции триоксида серы. Интенсивное многоступенчатое перемешивание жидкой фазы по ходу движения ее вниз по вихревому аппарату обеспечивает ликвидацию локального перегрева кислоты, сокращение образования тумана серной кислоты и сокращение скорости коррозии аппарата.

Применение предлагаемого вихревого аппарата для проведения физико-химических процессов по сравнению с прототипом позволяет увеличить время и поверхность контакта фаз при повышенных расходах по газовой и жидкой фазам и тем самым увеличить диапазон устойчивой работы, повысить эффективность тепломассообменных процессов, увеличить надежность аппарата в эксплуатации, значительно уменьшить объем и вес многоступенчатых аппаратов.

Вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов предназначен для проведения абсорбции, десорбции, пылегазоочистки, осушки, смешения и охлаждения газов. Содержит корпус, крышку, днище, патрубки подвода и отвода фаз, вихревое контактное устройство, состоящее из верхнего основания, тангенциальных пластин, тарелки и сепаратора, распределители жидкости, снабженные форсунками и расположенные на крышке аппарата и на верхнем основании вихревого контактного устройства. По высоте тангенциальных пластин вихревого контактного устройства установлены горизонтальные дисковые перегородки. Горизонтальные дисковые перегородки и верхнее основание вихревого контактного устройства в области крепления тангенциальных пластин выполнены с кольцевыми щелями. На внешнем и внутреннем срезах дисковых перегородок, а также на внешнем срезе верхнего основания вихревого контактного устройства установлены кольцевые буртики. Сепаратор выполнен в форме усеченной конусной обечайки, диаметр нижнего среза которой составляет 0,75÷0,9 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства. Число вихревых контактных устройств находится в пределах от 1 до 3. Расстояние между верхним основанием вихревого контактного устройства и нижним срезом сепаратора вышележащего вихревого контактного устройства составляет 0,3÷1,0 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства. Это позволяет увеличить эффективность тепломассообмена вихревого аппарата при высоких нагрузках по газовой и жидкой фазе. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов с нисходящим потоком фаз, включающий корпус, крышку, днище, патрубки подвода и отвода фаз, вихревое контактное устройство, состоящее из верхнего основания, тангенциальных пластин, тарелки и сепаратора, распределители жидкости, снабженные форсунками и расположенные на крышке аппарата и на верхнем основании вихревого контактного устройства, отличающийся тем, что по высоте тангенциальных пластин вихревого контактного устройства установлены горизонтальные дисковые перегородки, причем дисковые перегородки и верхнее основание вихревого контактного устройства в области крепления тангенциальных пластин выполнены с кольцевыми щелями, а на внешнем и внутреннем срезах горизонтальных дисковых перегородок, внешнем срезе верхнего основания вихревого контактного устройства установлены кольцевые буртики.2. Вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов с нисходящим потоком фаз по п.1, отличающийся тем, что сепаратор выполнен в форме усеченной конусной обечайки, диаметр нижнего среза которой составляет 0,75÷0,9 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства.3. Вихревой аппарат для проведения физико-химических процессов с нисходящим потоком фаз по пп.1-3, отличающийся тем, что число вихревых контактных устройств находится в пределах от 1 до 3, причем расстояние между верхним основанием вихревого контактного устройства и нижним срезом сепаратора вышележащего вихревого контактного устройства составляет 0,3÷1,0 внутреннего диаметра вихревого контактного устройства.