СПОСОБ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗА И ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК B01D3/00 

Область техники

Изобретение относится к области химической технологии, теплотехники, точнее к способам контактного взаимодействия сред в системах газ - жидкость, газ - жидкость - твердые частицы и к устройствам для осуществления тепломассообменных процессов в химической, пищевой, металлургической, газовой, газоперерабатывающей, нефтяной и других отраслях промышленности.

Изобретение предназначено для проведения охлаждения и конденсации паров, химических реакций, мокрой очистки газов от твердых, жидких и газообразных примесей; абсорбции, ректификации и других технологических процессов.

Предшествующий уровень техники

Из документа SU 1149475 известен способ контактного взаимодействия газа и жидкости и устройство для его осуществления. Известный способ включает закручивание газового потока, подачу в его осевую зону жидкости, формирование ее в пленку на поверхности тела вращения с последующим диспергированием жидкости закрученным газовым потоком и разделением на жидкую и газовую фазы.

Недостатками известного способа и реализующего его устройства являются низкая степень диспергирования жидкости, недостаточная площадь контакта сред из-за большого диаметра капель жидкости. При снижении расхода газового потока диаметр капель жидкости еще более увеличивается, что снижает эффективность тепломассообмена между газом и жидкостью.

Известен способ контактного взаимодействия газа, жидкости и твердых частиц и устройство для его осуществления (вихревой скруббер Вентури), описанные в книге Лукин В.Д. и др. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. - Л.: Химия, 1980, с.66-69. В конфузор тангенциально подают запыленный газ, который всасывает из осевого патрубка жидкость для смачивания твердых частиц, образования конгломератов и последующего отделения их от газа. Процесс очистки осуществляют в вихревом винтовом кольцевом потоке газа. Скруббер Вентури эффективен при улавливании частиц с размером более 10 мкм. При меньшем размере частиц эффективность снижается из-за низкой степени диспергирования жидкости. Для повышения степени очистки применяют двухступенчатую очистку, что усложняет процесс.

Известен способ контактного взаимодействия газа, жидкости и твердых частиц и устройство для его осуществления по патенту RU 2261139. Согласно известному способу в вихревой скруббер тангенциально подают не газ, как в скруббере Вентури, а жидкий поглотитель, который закручивается в корпусе устройства в виде вращающегося по винтовой линии водяного «шнура». Пылегазовый поток подают по оси скруббера в зону пониженного давления. Сопло для подачи жидкости выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса устройства. Тангенциальная подача жидкости выполнена с возможностью изменения направления закрутки жидкости и ее расхода в зависимости от параметров пылегазового потока, что реализуется с помощью системы автоматики регулирования. Известный способ позволяет повысить эффективность массообменного процесса, однако обладает следующими недостатками:

- недостаточно большая площадь контакта пылегазовой смеси и жидкого поглотителя, так как жидкость концентрируется преимущественно по периферии устройства в виде винтового «шнура» и недостаточно активно диспергируется потоком газа из-за малой кинетической энергии газового потока;

- низкая степень турбулизации потоков газа и жидкости, так как в способе использована прямоточная система их движения, не способствующая образованию вихрей и активизации массообменного процесса;

- повышенное давление в системе очистки пылегазового потока, так как его на конечной стадии продувают через емкость с водой;

- необходимость использования дополнительного оборудования для автоматического регулирования процесса.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ контакта газа и жидкости и устройство для его осуществления по патенту RU 2192912. Данный способ включает в себя следующие этапы:

- тангенциальную подачу газа через большое количество сопел,

- закручивание газового потока,

- образование кольцевого вихревого потока с обеспечением его движения по винтовой линии,

- подачу жидкости в зону пониженного давления по оси потока,

- диспергирование жидкости потоком газа и формирование ее в пленку,

- осуществление массообмена между газом и жидкостью в вихревом потоке.

Особенностями данного способа являются прямоточный контакт газа и жидкости; накапливание жидкости на стенках устройства и формирование вращающегося цилиндрического слоя, через который продувают газовые струи, после чего жидкость отбирают и дополнительно диспергируют газовым потоком. Формирование цилиндрического вращающегося слоя жидкости проводят с центробежным ускорением, превышающим ускорение свободного падения до 340 раз.

Устройство для осуществления способа содержит корпус, завихритель газового потока, тангенциально установленные патрубки подвода газа в корпус, патрубок подачи жидкости, переливную перегородку для формирования слоя жидкости на стенках корпуса, емкость с жидкостью и патрубок вывода отработанных фаз. Для прижатия газового потока к поверхности слоя жидкости на стенках корпуса устройство снабжено обтекателем, установленным по оси устройства.

Известное решение позволяет повысить эффективность массообмена, то есть контакта газа с жидкостью, а также расширить диапазон эффективной работы устройства.

Однако известный способ контакта газа и жидкости и устройство для его осуществления имеют следующие недостатки:

- низкая степень диспергирования жидкости, поскольку жидкость в массообменном процессе участвует в виде слоя на стенках устройства;

- неразвитая площадь контакта газа и жидкости из-за формирования жидкости в виде слоя;

- незначительная турбулизация потока газа из-за отсутствия противоточного движения;

- незначительное время контакта реагирующих фаз в связи с низкой турбулизацией потоков газа и жидкости и прямоточным их движением;

- повышенное давления потока газа, так как его продувают через слой жидкости в завихрителе;

- неравномерное распределение потоков газа и жидкости по поперечному сечению устройства и нерациональное использование рабочего объема в связи с тем, что взаимодействующие фазы концентрируются преимущественно по периферии устройства, а осевое пространство не участвует в массообменном процессе.

В результате известное решение не позволяет обеспечить высокую эффективность массообменного процесса.

Изобретение направлено на улучшение контактного взаимодействия газа и жидкости и связанную с этим интенсификацию массообменного процесса между фазами и повышение его эффективности за счет увеличения степени диспергирования жидкости, площади контакта газа и жидкости, турбулизации потока газа, увеличения времени контакта, равномерного распределения газа и жидкости по сечению устройства и рационального использования его рабочего объема.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решена в способе контактного взаимодействия газа и жидкости, включающем тангенциальную подачу газа в цилиндрический корпус, закручивание газового потока вокруг оси корпуса с образованием винтового вихревого потока газа по периферии упомянутого цилиндрического корпуса, подачу жидкости в вихревой поток газа по оси корпуса с обеспечением ее диспергирования потоком газа и тепломассообмена между газом и жидкостью за счет их динамического взаимодействия. Согласно изобретению винтовой вихревой поток газа в концевой части цилиндрического корпуса ускоряют путем сужения упомянутого корпуса, разворачивают поток газа к оси корпуса, смешивают с подаваемой жидкостью и направляют газожидкостный поток в центральную область винтового вихревого потока в противоположном ему направлении.

Поставленная задача решена в также в устройстве для осуществления контактного взаимодействия газа и жидкости, включающем цилиндрический корпус, тангенциально установленный патрубок подвода газа, завихритель газа, патрубок подачи жидкости, расположенный в нижней части корпуса по его оси, и патрубок вывода отработанных фаз, расположенный в верхней части корпуса. Согласно изобретению патрубок подвода газа расположен в верхней части корпуса, а под корпусом расположена емкость с жидкостью, связанная по жидкой среде с патрубком подачи жидкости, при этом корпус дополнительно снабжен отражателем, расположенным в нижней части корпуса и обеспечивающим поворот потока воздуха при его движении от периферии к центру.

Описанный выше способ и реализующее его устройство по сравнению с известными решениями позволяют значительно улучшить условия контактного взаимодействия газа и жидкости, интенсифицировать тепломассообменные процессы и увеличить их скорость за счет следующих факторов:

- максимально развитой площади контакта газа и жидкости вследствие тонкого диспергирования жидкости;

- высокой степени диспергирования жидкости из-за высокой степени взаимной кинетической турбулизации слоев газового потока в продольном и поперечном сечениях по всему объему рабочего пространства;

- значительного повышения времени контакта газа и жидкости вследствие высокой турбулизации газового потока, образования как встречного продольного, так и поперечного движения газа и жидкости и увеличения времени пребывания сред в корпусе устройства.

Указанные факторы позволяют повысить производительность устройства за счет равномерного распределения реагирующих фаз по сечению корпуса устройства, рационального использования всего рабочего объема и активизации тепломассобменных процессов.

Кроме того, снижаются и энергетические затраты, поскольку процессы подачи жидкости в газовый поток, ее диспергирование, смешивание фаз и турбулизация потока газа осуществляются за счет кинетической энергии газа без использования дополнительных энергозатрат.

Предпочтительно поверхность отражателя представляет собой внутреннюю поверхность самопересекающегося тора, усеченного экваториальной плоскостью, а точка торовой поверхности отражателя, лежащая на ее оси вращения, предпочтительно расположена ниже экваториальной плоскости на расстоянии 0,75÷0,90 радиуса образующей окружности торовой поверхности.

Особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего подробного описания варианта его осуществления со ссылкой на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показано устройство для реализации способа контактного взаимодействия газа и жидкости, вид в продольном разрезе;

на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1;

на фиг.3 представлена геометрическая модель торовой поверхности отражателя;

на фиг.4 изображена схема газодинамики в рабочем объеме устройства для осуществления способа контактного взаимодействия газа и жидкости, вид в продольном сечении;

на фиг.5 - сечение по В-В на фиг.4;

на фиг.6 - сечение по С-С на фиг.4

Вариант осуществления изобретения

Способ контактного взаимодействия газа и жидкости в соответствии с изобретением реализуется в устройстве, показанном на фиг.1 и 2. Это устройство содержит цилиндрический корпус 1, расположенные в его верхней части завихритель 2 (например, улиткообразный) и тангенциально установленный патрубок 3 подвода газа в корпус 1, патрубок 4 подачи жидкости, смонтированный в нижней части корпуса в зоне пониженного давления газового потока по его оси, емкость 5, снабженную патрубком 6 для наполнения емкости, и патрубок 7 для обеспечения постоянного уровня жидкости.

В нижней части корпуса 1 смонтирована разделительная перегородка 8. На ней установлен отражатель 9, поверхность которого представляет собой внутреннюю поверхность 10 самопересекающегося тора (фиг.3), то есть тора, у которого расстояние OO₁ (или ОО₂) между осью Х-Х вращения и центром образующей окружности меньше радиуса R_от этой образующей окружности. Поверхность 10 усечена экваториальной плоскостью 10′. Диаметр d_o отражателя, диаметр d_к корпуса и диаметр d_тп торовой поверхности равны между собой. Точка 10′′ торовой поверхности отражателя, лежащая на ее оси Х-Х вращения, расположена ниже экваториальной плоскости на расстоянии 0,75÷0,90 радиуса R_от образующей окружности торовой поверхности. Для вывода отработанных фаз из устройства в верхней его части имеются патрубок 11, разделитель газа и жидкости 12 и сливной патрубок 13. Для удаления остаточной жидкости из отражателя имеются патрубки 14. В показанном на чертежах варианте осуществления изобретения, согласно которому корпус расположен, по существу, вертикально, патрубки 14 расположены в нижней части поверхности 10 отражателя 9 обтекателя, однако они могут быть расположены в других местах, в частности в боковой поверхности корпуса при его расположении, отличном от вертикального.

Необходимо отметить, что термины «верхний» и «нижний» в данном описании использованы по отношению к конструкции, схематично изображенной на фиг.1 и 4, то есть являются условными, и, по существу, означают, что одни элементы (завихритель 2, патрубок 3 подвода газа, патрубок 11 вывода отработанных фаз) находятся у одного основания цилиндрического корпуса, а другие (разделительная перегородка 8, емкость 5 для жидкости и патрубки 6 и 7) - у другого.

Способ контактного взаимодействия газа и жидкости в соответствии с изобретением осуществляется следующим образом (фиг.4÷6). В корпус 1 устройства тангенциально подают газ, который закручивается завихрителем 2 с образованием винтового вихревого потока, концентрирующегося вдоль стенок корпуса и движущегося с высокой скоростью по винтовой линии L в виде винтового «шнура». Одновременно с этим газовый поток в винтовом «шнуре» вращается вокруг оси по винтовой линии F. Далее вихревой кольцевой поток газа поступает в нижнюю часть корпуса устройства, где посредством торовой поверхности 10 отражателя 9 ускоряется за счет сужения корпуса, отклоняется от первоначального направления, совершает разворот к оси корпуса, смешивается с подаваемой жидкостью и поступает в центральную область винтового вихревого потока в противоположном ему направлении.

Скорость потока и его кинетическая энергия при этом значительно увеличиваются за счет уменьшения его диаметра.

В результате поворота потока газа в корпусе образуется многослойный (четырехслойный) вихревой поток, в котором наблюдается противоточное движение слоев как в поперечном, так и в продольном сечениях. По продольным и поперечным границам Q слоев за счет встречного движения и высокой скорости потоков происходит интенсивная взаимная, кинетическая турбулизация сначала поверхностных участков, а затем и внутренних зон слоев, что в конечном итоге приводит к турбулизации газа по всему объему V потока и корпуса. По оси S корпуса в результате высокой скорости потока образуется зона пониженного давления, за счет чего в поток эжектируется жидкость из патрубка 4. Количество поступающей в газовый поток жидкости автоматически изменяется с изменением скорости потока газа, то есть с изменением расхода газа.

Поступающая в поток газа жидкость активно диспергируется и тонко распыляется турбулизированным газовым потоком. Частицы жидкости равномерно распределяются по всему объему потока, смешиваются с вихрями потока и реагируют с газом, при этом обеспечивается максимально высокий коэффициент тепло- или массопередачи.

Приведенные выше соотношения между конструктивными параметрами устройства для осуществления способа контактного взаимодействия газа и жидкости являются оптимальными. При соблюдении соотношений достигаются высокие показатели тепломассообменного процесса.

Так, при расположении точки 10′′ торовой поверхности на величину менее 0,75 радиуса R_от образующей окружности торовой поверхности 10 в центральной осевой части потока образуется зона разрежения, в которой восходящие слои газа не пересекаются и не контактируют друг с другом, что снижает возможность турбулизации за счет кинетического взаимодействия и уменьшает эффективность массообменного процесса. При этом наблюдается также избыточное количество жидкости, захватываемый потоком из патрубка 4.

При расположении точки 10′′ торовой поверхности 10 на величину более 0,90 радиуса R_от образующей окружности торовой поверхности 10 потоки газа пересекаются друг с другом, разрушаются и нарушают поверхностный контакт в центральной и верхней части устройства, что снижает кинетическую турбулизацию газового потока и эффективность массобмена. Кроме того, при этом ухудшаются условия эжектирования жидкости в поток газа и количество жидкости становится недостаточным для проведения процесса массообмена.

Изобретение предназначено для контактного взаимодействия газа и жидкости, в частности для охлаждения и конденсации паров, проведения химических реакций, мокрой очистки газов от твердых, жидких и газообразных примесей, а также для осуществления процессов абсорбции, ректификации. Способ включает тангенциальную подачу газа в цилиндрический корпус (1), закручивание газового потока вокруг оси корпуса с образованием винтового вихревого потока газа по периферии упомянутого цилиндрического корпуса и подачу жидкости в вихревой поток газа по оси корпуса с обеспечением ее диспергирования потоком газа и тепломассообмена между газом и жидкостью за счет их динамического взаимодействия. Винтовой вихревой поток газа в концевой части цилиндрического корпуса ускоряют путем сужения упомянутого корпуса, разворачивают поток газа к оси корпуса, смешивают с подаваемой жидкостью и направляют газожидкостный поток в центральную область винтового вихревого потока в противоположном ему направлении. Устройство, реализующее этот способ, содержит тангенциально установленный патрубок (3) подвода газа, завихритель (2) газа, патрубок (4) подачи жидкости, расположенный в нижней части корпуса (1) по его оси, и патрубок (11) вывода отработанных фаз, расположенный в верхней части корпуса (1). Патрубок (3) подвода газа расположен в верхней части корпуса (1), а под корпусом (1) расположена емкость (5) с жидкостью, связанная по жидкой среде с патрубком (4) подачи жидкости. Корпус дополнительно снабжен отражателем (9), расположенным в нижней части корпуса и обеспечивающим поворот потока воздуха при его движении от периферии к центру. В результате контактное взаимодействие газа и жидкости осуществляется в многослойном вихревом потоке газа при противотоке слоев как в поперечном, так и в продольном сечениях, при этом диспергирование жидкости и тепломассобмен между средами производят за счет взаимной кинетической турбулизации слоев упомянутого вихревого потока по всему его объему. Технический результат: интенсифицирование массообменного процесса между фазами и повышение его эффективности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ контактного взаимодействия газа и жидкости, включающий тангенциальную подачу газа в цилиндрический корпус, закручивание газового потока вокруг оси корпуса с образованием винтового вихревого потока газа по периферии упомянутого цилиндрического корпуса, подачу жидкости в вихревой поток газа по оси корпуса с обеспечением ее диспергирования потоком газа и тепломассообмена между газом и жидкостью за счет их динамического взаимодействия, отличающийся тем, что винтовой вихревой поток газа в концевой части цилиндрического корпуса ускоряют путем сужения упомянутого корпуса, разворачивают поток газа к оси корпуса, смешивают с подаваемой жидкостью и направляют газожидкостный поток в центральную область винтового вихревого потока в противоположном ему направлении.

2. Устройство для контактного взаимодействия газа и жидкости, включающее цилиндрический корпус, тангенциально установленный патрубок подвода газа, завихритель газа, патрубок подачи жидкости, расположенный в нижней части корпуса по его оси, и патрубок вывода отработанных фаз, расположенный в верхней части корпуса, отличающееся тем, что патрубок подвода газа расположен в верхней части корпуса, а под корпусом расположена емкость с жидкостью, связанная по жидкой среде с патрубком подачи жидкости, при этом корпус дополнительно снабжен отражателем, расположенным в нижней части корпуса и обеспечивающим поворот потока воздуха при его движении от периферии к центру.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поверхность отражателя представляет собой внутреннюю поверхность самопересекающегося тора, усеченного экваториальной плоскостью.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что точка торовой поверхности отражателя, лежащая на ее оси вращения, расположена ниже экваториальной плоскости на расстоянии 0,75÷0,90 радиуса (R_от) образующей окружности торовой поверхности.