УСТРОЙСТВО И МЕТОД ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА МЕЖДУ ГАЗОМ И ЖИДКОСТЬЮ Российский патент 2018 года по МПК B01D3/14 B01F3/04 B01J19/32 

Это изобретение относится к химической, металлургической, энергетической и другим сферам промышленности, и связано с тепломассообменом и химическим обменом, и взаимодействием между двумя текучими средами, такими как газ и жидкость, например, для удаления пыли и химических загрязнителей газа. Оно может использоваться как скруббер, абсорбер, десорбер, теплообменник или химический реактор.

Российский патент RU 2132220 описывает пылеулавливающий аппарат с цилиндрическим корпусом и расположенным в его аэродинамической нише, орошаемым водой лопаточным закручивающим устройством, создающим вихрь вдоль вертикальной оси корпуса. Подача воды непосредственно на лопатки завихрителя осуществляется посредством тарелки, заполненной водой, а по краям снабженной прорезями. В верхней части ниши установлен кольцевой отражающий карниз, над которым расположен ряд плоскофакельных сопл подпитки аппарата водой. Устройство обеспечивает эффективность очистки газов от пыли на 99,5 - 99,9% при аэродинамическом сопротивлении 1200 - 1300 Па и удельном расходе орошающей воды 0,1 - 0,15 л/нм3. Указанные показатели достигаются за счет высокоэффективной системы распределения воды и газов по периметру завихрителя; рециркуляции воды (пульпы) в завихрителе, что повышает в несколько раз кратность орошения активной зоны; промывки очищенных газов перед каплеуловителем чистой подпиточной водой; установкой высокоэффективного каплеуловителя шатрового типа с уголковыми элементами, расположенными по винтовой линии. Устройство обеспечивает повышенную эффективность очистки газов.

Российский патент RU 2104752 описывает устройство для улавливания токсичных веществ из газообразных выбросов в эмульгированном слое жидкости. Устройство используется в энергетике, металлургии, химии и других отраслях промышленности. Устройство содержит параллельно установленные орошаемые насадки с размещенными в них аксиальными лопастями завихрителями, объединенные в одном корпусе и имеющие общий подвод и отвод дымовых газов. Каждая насадка выполняется в виде параллелепипеда, с закрепленным в его нижней части аксиальным лопастным завихрителем, изготовленным из четырех лопастей. Лопасти имеют форму тупоугольных треугольников, тупые углы которых вписываются в двухгранные углы параллелепипеда, а середины оснований касаются в одной точке, лежащей на оси параллелепипеда, при этом непосредственно над лопастями в стенках параллелепипеда устанавливаются окна, а выше над ними - инициаторы эмульгирования в виде четырех пластин, имеющих форму прямоугольных треугольников, также вписанных в двугранные углы параллелепипеда и уменьшающих здесь его проходное сечение на 10-25%.

Известны также пенные или, по-другому, тарельчатые газопромыватели для очистки газов от пыли, от газовых примесей и др., включающие корпус и расположенную в нем горизонтальную дырчатую или щелевую тарелку. При подаче на тарелку сверху орошающей жидкости и пропускании сквозь нее снизу вверх очищаемого газа происходит формирование высокотурбулизованной пены, в которой происходит непрерывное разрушение, слияние и образование новых пузырьков. Обычно, из соображений получения большей эффективности газоочистки, дырчатые тарелки выполняют с отверстиями диаметром 4÷8 мм, щелевые тарелки выполняют с шириной щелей 4÷5 мм, а количество отверстий или щелей подбирают так, чтобы свободное сечение, определяемое как отношение проходного сечения отверстий или щелей к общей площади тарелки, составляло 0,15÷0,25 м²/м².

Изобретенное устройство обеспечивает высокую эффективность тепло-массообмена между газом и жидкостью, обладает высокой надежностью и недорого в производстве и эксплуатации.

Тарелка с отверстиями имеет такую конфигурацию, что струи очищаемого газа, формируемые отверстиями или щелями в тарелке, были не вертикальны, а имели наклон в разные стороны. Эти струи пересекаются и взаимодействуют над тарелкой с образованием газожидкостного слоя, или, по-другому, пены. В процессе взаимного проникновения струй друг в друга, скачкообразно растут относительные скорости между газовой средой и каплями жидкости в этих струях. За счет этого увеличивается эффективность тепломассообмена между очищаемым газом и орошающей жидкостью, в том числе и при значительном увеличении размера отверстий или щелей в тарелке по сравнению с обычными тарельчатыми газопромывателями.

Конструктивные реализации тарелок, формирующие струи имеющие наклон в разные стороны, могут быть весьма разнообразными. Наиболее выраженный эффект увеличения взаимодействия газа и жидкости будет проявляться у тарелок обеспечивающих максимальный наклон струй при выдерживании заданного свободного сечения, определяемого как отношение проходного сечения отверстий или щелей к общей площади тарелки. Тарелки, формирующие струи, наклоненные в разные стороны, могут выполняться различными способами, например в виде перфорированного листа, перфорация которого представляет собой набор разноориентированных просеченных и отформованных отверстий, либо в виде набора параллельно установленных аксиальных лопастных завихрителей, либо, для щелевых тарелок, в виде набора продольных профилей, простейшими из которых являются уголки. Таким образом, предлагаемую тарелку правильнее в дальнейшем называть решетчатой тарелкой или просто решеткой.

Один из вариантов заявляемого изобретения – аппарат, состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками для прохождения текучей среды в этом корпусе от входного патрубка к выходному патрубку; множество насадок, собранных в решетку, причем решетка находится внутри корпуса на пути этой текучей среды; каждая насадка состоит из трехмерной структуры со множеством аксиальных лопастей-завихрителей, расположенных внутри этой трехмерной структуры, при этом каждая лопасть-завихритель является наклоненным четырехугольником, и у каждого четырехугольника есть две смежные стороны в контакте с двумя смежными сторонами трехмерной структуры, и вершины углов образованных двумя оставшимися сторонами каждого такого четырехугольника сходятся в одной точке, лежащей на вертикальной оси этой трехмерной структуры. Текучая среда, проходящая потоком в корпусе от входного патрубка к выходному патрубку, может быть газом. Аппарат также содержит штуцер для ввода орошающей жидкости в корпус, и этот штуцер расположен после решетки по пути текучей среды и до выходного патрубка. Плоскость лопастей-завихрителей выполненных в виде наклоненных четырехугольников могут иметь пространственную кривизну. Трехмерная структура насадки может быть параллелепипедом.

Насадки в решетке могут быть изготовлены так, чтобы все насадки закручивали газ в одинаковом направлении. Насадки в решетке могут быть выстроены в решетке параллельно.

Также решетка может содержать множество крепежных элементов, при этом каждый крепежный элемент расположен по оси насадки в районе точки, где сходятся лопасти-завихрители.

Насадки могут быть выполнены так, что какая-то часть стенок с каждой стороны трехмерной структуры обрезана таким образом, чтобы эти стенки трехмерной структуры не выступали над прилегающими к ним лопастями-завихрителями, включая лопасти-завихрители соседних насадок.

Метод данного изобретения состоит в проведении текучей среды через корпус от входного патрубка до выходного патрубка; в проведении текучей среды сквозь решетку расположенную в данном корпусе и состоящую из множества насадок; а также в формировании множества взаимнопроникающих струй, образованных прохождением текучей среды через щели аксиальных лопастей-завихрителей, входящих в состав насадок; а также во введении орошающей жидкости в корпус как минимум через один штуцер, расположенный в корпусе над решеткой; и в смешивании этой орошающей жидкости со сформированными взаимнопересекающимися струями; при этом каждая насадка из всего множества насадок содержит трехмерную структуру с множеством аксиальных лопастей-завихрителей, расположенных внутри этой трехмерной структуры, при этом каждая лопасть-завихритель является наклоненным четырехугольником, и у каждого четырехугольника есть две смежные стороны в контакте с двумя смежными сторонами трехмерной структуры, и вершины углов образованных двумя оставшимися сторонами каждого такого четырехугольника сходятся в одной точке, лежащей на вертикальной оси этой трехмерной структуры.

Текучая среда, проводимая через корпус от входного патрубка до выходного патрубка, может быть газом. Характерное значение расходной скорости газа через сечение корпуса может быть около 5 м/с.Насадки могут быть установлены в решетке параллельно друг другу. Изобретение предполагает, что каждая насадка может вращать газ в одном и том же направлении.

Подача орошающей жидкости в корпус может осуществляться без использования распыляющих сопел или форсунок. По меньшей мере, один штуцер в корпусе для ввода орошающей жидкости расположен после решетки по пути текучей среды и до выходного патрубка.

В предложенном методе настоящего изобретения, решетка может содержать множество крепежных элементов, при этом каждый крепежный элемент расположен по оси насадки в районе точки, г де сходятся лопасти-завихрители.

Один из нюансов конструкции насадок формирующих решетку в данном изобретении состоит в том, что каждая насадка из всего множества насадок содержит трехмерную структуру с множеством аксиальных лопастей-завихрителей, расположенных внутри этой трехмерной структуры, при этом каждая лопасть-завихритель является наклоненным четырехугольником, и у каждого четырехугольника есть две смежные стороны в контакте с двумя смежными сторонами трехмерной структуры, и вершины углов образованных двумя оставшимися сторонами каждого такого четырехугольника сходятся в одной точке, лежащей на вертикальной оси этой трехмерной структуры, при этом каждая пара лопастей-завихрителей в каждой насадке образует щель таким образом чтобы струя жидкости выходящая из этой щели пересекалась с другой струей сформированной аналогичной щелью в соседней насадке.

Насадка может дополнительно включать в себя крепежный элемент, расположеный по оси насадки в районе точки, где сходятся лопасти-завихрители. Более того, у насадки какая-то часть стенок с каждой стороны трехмерной структуры обрезана таким образом, чтобы эти стенки трехмерной структуры не выступали над прилегающими к ним лопастями-завихрителями, включая лопасти-завихрители соседних насадок.

При этом другие варианты и нюансы настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники из последующего описания, в котором показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, взятые в качестве иллюстрации лучших способов для внедрения этого изобретения. Как это будет очевидно специалистам в данной области техники, изобретение допускает другие различные варианты осуществления, и его некоторые детали допускают модификации в различных очевидных нюансах без отступления от сущности и объема предмета применения. Соответственно, чертежи и описание должны рассматриваться как пояснительные по характеру, а не как ограничительные.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Прилагаемые рисунки включены в описание и образуют часть описания, иллюстрируют настоящее изобретение, и вместе с описанием служат для пояснения принципов настоящего изобретения.

Рис.1 схематически показывает, как газ протекает через одноступенчатое устройство.

Рис.1a схематически показывает, как газ протекает через двухступенчатое устройство.

Рис.2a показывает пример фрагмента перфорированной тарелки.

Рис.2b показывает фрагмент перфорированной тарелки со стрелками обозначающими струи газа, сформированными перфорацией.

Рис.2c показывает пример перфорированной тарелки, сформированной из множества фрагментов перфорированной тарелки, показанных на Рис.2a.

Рис.2d показывает перфорированную тарелку, сформированную из множества фрагментов перфорированной тарелки, показанными на Рис.2a со стрелками, обозначающими струи газа, сформированными перфорацией.

Рис.3a показывает четырехугольную аксиальную завихряющую насадку с четырьмя лопастями.

Рис.3b показывает четырехугольную аксиальную завихряющую насадку с четырьмя лопастями из Рис.3a со стрелками обозначающими струи газа, сформированными этой насадкой.

Рис.3c показывает решетчатую тарелку, составленную из 9 насадок показанных на Рис.3a.

Рис.4a показывает другой вариант четырехугольной аксиальной завихряющей насадки с четырьмя лопастями.

Рис.4b показывает четырехугольную аксиальную завихряющую насадку с четырьмя лопастями из Рис.4a со стрелками, обозначающими струи газа, сформированными этой насадкой.

Рис.4c показывает решетчатую тарелку, составленную из 9 насадок Рис.4a.

Рис.5 показывает решетчатую тарелку, составленную из 9 насадок из Рис.3a или Рис.4a со стрелками, обозначающими струи газа, сформированных насадками.

Рис.6a показывает шестиугольную аксиальную завихряющую насадку с шестью лопастями.

Рис.6b показывает шестиугольную аксиальную завихряющую насадку с шестью лопастями из Рис.6a со стрелками, обозначающими струи газа, сформированными этой насадкой.

Рис.6c показывает решетчатую тарелку, составленную из семи насадок из Рис.6a.

Рис.6d показывает решетчатую тарелку, составленную из семи насадок из Рис.6a со стрелками, обозначающими струи газа, сформированных насадками.

Рис.7a показывает в разрезе решетчатую тарелку со щелями, составленную из уголковых элементов.

Рис.7b показывает решетчатую тарелку из Рис.7a со стрелками, обозначающими струи газа, сформированных щелями уголковых элементов.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Настоящее устройство обеспечивает эффективный тепломассообмен между газом и жидкостью. При этом оно очень надежное и экономичное в плане капитальных и операционных расходов.

На Рис.1 схематично показан вариант исполнения настоящего изобретения. Газ подается в корпус 3 через входной патрубок 1, проходит через решетчатую тарелку 6, затем через газожидкостный слой 2 и поступает в выходной патрубок 4. Жидкость, например вода, вводится в газожидкостный слой 2 через штуцер 5, расположенный над решеткой 6 и затем стекает вниз сквозь решетку 6 и отводится через слив 7.

Газ движется через устройство, например под действием избыточного давления во входном патрубке 1 и/или за счет разрежения в выходном патрубке 4. Данный перепад давления может создаваться вентилятором. Таким образом, газ продавливается снизу вверх через решетчатую тарелку 6. Жидкость через штуцер 5 поступает на орошение решетчатой тарелки 6. Для данного устройства не нужно никаких дополнительных форсунок для распыления подаваемой жидкости.

Решетчатая тарелка 6 состоит из насадок (сделанных из пластика, металла и т.д.), как показано на Рис.2a-2d, 3a-3d, 4a-4c, 5, 6a-6d, и 7a-7b и создает взаимоперекрещивающиеся струи газа, которые формируют турбулентные потоки, завихрения, и/или другие нелинейные течения газа в газожидкостном слое 2 для его эффективного смешивания и взаимодействия с орошающей жидкостью, подаваемой над решеткой.

Решетка 6 содержащая отверстия или щели образованные насадками, формирует разнонаправленные струи газа. Жидкость подаваемая через штуцер 5 захватывается этими струями (особенно в непосредственной близости с насадками) и диспергируется на капли. Струи газа формируют взаимопроникающую структуру над решеткой, как показано в примерах на Рис.2d, 5, 6d, и 7b, однако, заявляемое изобретение не ограничивается показанными взаимно-перекрещивающимися струями, а предусматривает взаимно-перекрещивающиеся струи любой структуры и под любым углом. В процессе взаимного проникновения струй друг в друга, скачкообразно растут относительные скорости между газовой средой и каплями жидкости в этих струях. Такая газодинамическая структура течения струй обеспечивает равномерное распределение жидкости над всей решеткой 6, а также перемешивание газа и жидкости над решеткой 6 по всему поперечному сечению корпуса без применения дополнительных форсунок для распыления орошающей жидкости. Газожидкостный слой, формирующийся из разнонаправленных нелинейных (например, турбулентных) потоков можно также охарактеризовать как пену. Данный газожидкостный слой обладает чрезвычайно большой удельной поверхностью контакта, высокой скоростью ее обновления и однородностью структуры. В одном из вариантов конструкции расходная скорость газа через сечение корпуса составляет около 5 м/с, а через щели насадок в решетчатой тарелке газ проходит приблизительно со скоростью 15-30 м/с.

Перемешивание струй газа, прошедших сквозь отверстия или щели в решетке 6, с жидкостью, например, водой, подаваемой через штуцер 5, происходит на некотором расстоянии над решеткой 6, а не непосредственно на ее поверхности. Это уменьшает износ решетки и продлевает ее ресурс.

После запуска устройства в работу, т.е. после начала прокачки газа через корпус 3 и подачи орошающей жидкости через штуцер 5, начнется накопление жидкости в формирующемся газожидкостном слое. Высота этого слоя будет расти, пока не наступит равновесие сил аэродинамического напора газа проходящего сквозь насадки снизу вверх и гравитационного веса газожидкостного слоя над насадками. В дальнейшем, количество жидкости поступающей в устройство будет, соответствовать, количеству жидкости продавленной весом газожидкостного слоя сквозь щели насадок в нижнюю часть корпуса 3. Подачу орошающей жидкости через штуцер 5 необходимо рассчитывать с учетом испарительно-конденсационных механизмов и брызгоуноса. Остальная жидкость выводится из устройства через слив 7.

Рис.1a показывает двухступенчатый вариант настоящего изобретения, где вторая решетчатая тарелка 6a расположена над решетчатой тарелкой 6. Жидкость подается из штуцера 5 над второй решетчатой тарелкой 6a и взаимодействует с газом внутри газожидкостного слоя 2a над второй решетчатой тарелкой 6a. Жидкость после этого проваливается через вторую решетчатую тарелку 6a вниз и взаимодействует с газом над решетчатой тарелкой 6 внутри газожидкостного слоя 2.

Как правило, в случае двух- и более ступенчатого устройства, т.е. устройства содержащего две и более решетчатых тарелки расположенных друг над другом, орошающая жидкость подается через штуцер 5 на самую верхнюю решетчатую тарелку 6а и сначала на ней происходит первоначальное накопление жидкости в газожидкостном слое 2а. После наполнения газожидкостного слоя на самой нижней решетчатой тарелке жидкость проваливается в нижнюю часть корпуса 3 и выводится из устройства через слив 7. Поступление очищаемого газа, также как и в случае одноступенчатого устройства, происходит через входной патрубок 1, а вывод очищенного газа – через выходной патрубок 4.

Расстояние между решетчатыми тарелками может быть 0.4-0.6 м. Противоточная схема контакта газа и жидкости в устройстве, показанном на Рис.1a снижает требуемое количество жидкости для охлаждения газов и/или очистки газов при высокой концентрации загрязняющих веществ. В случаях применения предлагаемого устройства для охлаждения и/или очистки горячих газов суммарное проходное сечение щелей нижней (первой по газу) решетчатой тарелки может быть увеличено по сравнению со следующими решетчатыми тарелками. Так для газов с температурой более 250ºС такое увеличение сечения для нижней решетчатой тарелки может составляет около 20%, при 400ºС ~ 30% и т.д.

Вместо газа, показанного на Рис.1 и 1a, может использоваться таким же образом любая текучая среда, например жидкость.

Вместо жидкости, показанной на Рис.1 и 1a, может использоваться таким же образом любая текучая среда, например газ (особенно газ, который тяжелее воздуха).

Рис.2a показывает пример фрагмента решетчатой тарелки с тремя перфорированными отверстиями для применения в устройствах, показанных на Рис.1 и 1a. Каждое перфорированное отверстие имеет форму пирамиды с треугольным основанием. У этих пирамид отсутствуют две грани – одна, являющаяся ее основанием, и одна из выступающих граней. Три одинаковых пирамиды равномерно расположены вокруг центра 22 фрагмента решетчатой тарелки, каждая пирамида развернута под углом 120º друг к другу. Возможны и другие варианты выполнения перфорации из выдавленных элементов, простирающихся вниз от решетки.

Рис.2b показывает (в виде стрелок) струи газа, которые движутся вверх через перфорированные отверстия фрагмента тарелки показанного на Рис.2a. Эти струи газа формируют вихрь, который движется вверх по корпусу 3.

Рис.2c показывает пример решетчатой тарелки со многими перфорированными отверстиями для применения в устройствах, показанных на Рис.1 и 1a. Каждое перфорированное отверстие имеет форму пирамиды с треугольным основанием. У этих пирамид отсутствуют две грани – одна, являющаяся ее основанием, и одна из выступающих граней. Пирамиды сгруппированы по три, и каждая такая группа расположена симметрично вокруг своего соответствующего центра на решетчатой тарелке под углом 120° друг к другу, аналогично тому, как показано на Рис.2a.

Рис.2d показывает (в виде стрелок) струи газа, которые движутся вверх через перфорированные отверстия тарелки, показанной на Рис.2c. Эти струи пересекаются и перемешиваются, формируя вихри, которые движутся вверх по корпусу 3.

На Рис.3a показан пример четырехугольной завихряющей насадки 30 для формирования решетчатых тарелок 6 и/или 6a в устройствах, показанных на Рис.1 и 1a. Насадка 30 состоит из лопастей 311, 312, 313, и 314, так чтобы сформировалось четыре струи газа. Углы лопастей сходятся в точке 32. Каждая лопасть является четырехугольником с постоянной одинарной кривизной. Наклон и кривизна каждой из лопастей выполнены относительно соответствующей оси, опущенной из точки 32 перпендикулярно на соответствующую боковую поверхность насадки 30. Лопасти 311 и 312 образуют щель δ1, лопасти 312 и 313 образуют щель δ2, лопасти 313 и 314 образуют щель δ3, и лопасти 314 и 311 образуют щель δ4.

На Рис.3b в виде стрелок показаны четыре струи газа, сформированные насадкой 30, показанной на Рис.3a. Каждая струя проходит через одну из щелей δ1 - δ4.

[0058] Рис.3c показывает пример решетчатой тарелки 35, составленной из 9 завихряющих насадок 30. Решетчатая тарелка 35 является однородной структурой, что приводит к равномерному распределению воды в газожидкостном слое над решетчатой тарелкой 35.

Сформированные отверстиями или щелями в решетчатой тарелке струи газа обладают сильным гидроабразивным воздействием, поэтому желательно минимизировать количество и размер конструктивных элементов выступающих над решетчатой тарелкой в зоне сформированных газожидкостных струй. В противном случае выступающие элементы будут не только мешать формированию струй, но и подвергаться значительному износу. При этом, по вертикальной оси завихряющих насадок, в непосредственной близости над лопастями, гидроабразивное воздействие минимально. В случае необходимости, в этих местах к тарелке могут быть добавлены осевые стержни или другие конструктивные элементы, например, для механической фиксации решетчатой тарелки или ее составных частей.

Рис.4a показывает пример четырехугольной завихряющей насадки 40 для формирования решеток 6 и/или 6a в устройствах, показанных на Рис.1 и 1a. Насадка 40, состоит из четырех лопастей 411, 412, 413, и 414, которые формируют четыре струи газа. Линии вдоль краев лопастей пересекаются в виртуальной точке 42. Каждая лопасть является четырехугольной и плоской. Каждая лопасть наклонена вокруг оси опущенной перпендикулярно из виртуальной точки 42 на соответствующее ребро насадки 40. Одна из таких осей показана в виде прерывистой линии 43. Верхние края завихряющей насадки 40 лежат на одной линии с краями лопастей. Край насадки a лежит на одной линии с краем лопасти 411, край насадки b лежит на одной линии с краем лопасти 412, край насадки c лежит на одной линии с краем лопасти 413, край насадки d лежит на одной линии с краем лопасти 414. По вертикальной оси насадки добавлен осевой стержень (предназначенный для присоединения и фиксации) в виде полой втулки 45. Лопасти 411 и 412 образуют щель δ1, лопасти 412 и 413 образуют щель δ2, лопасти 413 и 414 образуют щель δ3, и лопасти 414 и 411 образуют щель δ4.

На Рис.4b в виде стрелок показаны четыре струи газа, сформированные насадкой 40, показанной на Рис.4a. Каждая струя проходит через одну из щелей δ1 - δ4.

Рис.4c показывает пример решетчатой тарелки, составленной из 9 завихряющих насадок 40. Решетчатая тарелка является однородной структурой, что приводит к равномерному распределению воды в газожидкостном слое над решетчатой тарелкой 35. Один из завихрителей 40 показан в сечении. Во втулках 45 установлены болты 46 фиксирующие решетчатую тарелку.

Рис.5 показывает в виде стрелок взаимно-перекрещивающиеся струи газа, которые перемешиваются с жидкостью над решетчатой тарелкой, состоящей из 16 завихряющих насадок 30 или 40. Каждая струя формируется в одной из завихряющих насадок. Каждая завихряющая насадка формирует 4 струи, как показано на Рис.3b и 4b.

Рис.6a показывает пример шестиугольной завихряющей насадки 60 для формирования решеток 6 и/или 6a в устройствах, показанных на Рис.1 и 1a. Насадка 60 состоит из 6 плоских лопастей, которые формируют 6 струй газа способом, похожим на четырехугольную завихряющую насадку 40, показанную на Рис.4a.

Рис.6b показывает в виде стрелок шесть струй газа, образованных насадкой 60 показанной на Рис.6a. Каждая струя проходит через одну из щелей между лопастями.

Рис.6c показывает пример решетчатой тарелки, состоящей из семи завихряющих насадок 60. Решетчатая тарелка является однородной структурой, что приводит к равномерному распределению воды в газожидкостном слое над решетчатой тарелкой.

Рис.6d показывает в виде стрелок взаимно-перекрещивающиеся струи газа, которые перемешиваются с жидкостью над решетчатой тарелкой, состоящей из семи шестиугольных завихряющих насадок 60 с шестью лопастями каждая. Каждая струя формируется в одной из завихряющих насадок. Каждая завихряющая насадка формирует шесть струй, как показано на Рис.6b.

На Рис.7a показано поперечное сечение фрагмента решетчатой тарелки выполненной из уголковых элементов для формирования решетчатых тарелок 6 и/или 6a в устройствах, показанных на Рис.1 и 1a. Уголковые элементы 711 ориентированы углом вниз и имеют угол раскрытия α. Уголковые элементы 712 ориентированы углом вверх и имеют угол раскрытия β. Аэродинамическое сопротивление такой решетчатой тарелки будет уменьшено, если углы β будут меньше чем углы α, поскольку получается равномерно сужающийся вверх зазор δ между уголковыми элементами. Также углы α и β могут быть равными друг другу. Схематично стрелками показаны струи газа формирующиеся при прохождении через зазоры δ.

Рис.7b показывает в виде стрелок пересекающиеся струи газа, которые перемешиваются с жидкостью над решетчатой тарелкой с прорезями из Рис.7a.

Преимуществами заявляемого устройства являются очень низкие требования к качеству орошающей жидкости (в том числе и количеству и размеру механических примесей), при этом устройство обеспечивает высокую эффективность взаимодействия орошающей жидкости и очищаемого газа, что позволяет многократно снизить стоимость используемых реагентов и систем их хранения и применения. Так, например, для нейтрализации кислотных газов можно использовать известковые растворы без их предварительной фильтрации от песчаных компонентов, обязательно присутствующих при добыче извести.

Такая высокая эффективность позволяет использовать решетчатые тарелки с отверстиями, как показано на Рис.2a-2d, и со щелями δ1- δ4 (на Рис.3a-3d, 4a-4c, и 6a-6d) размером около 15-40 мм, и зазорами (на Рис.7a-7b) 10-20 мм в ширину и даже больше. Соотношение проходного сечения отверстий или щелей к общей площади решетчатой тарелки составляет 0,15÷0,3 м²/м².

Использование заявляемого устройства для очистки дымовых газов угольного котла от золы уноса показало эффективность золоулавливания 99,5%. Производительность устройства по очищаемому газу составляла 20000 м3/ч, при их температуре 170ºС.Размер устройства составил 1,5 м х 1,6 м х 2,5 м, а его гидравлическое сопротивление по очищаемому газу не превышало 1,9 кПа. При этом в качестве орошающей жидкости использовалась вода, циркулирующая по замкнутому контуру между заявляемым устройством и простейшим золоосадителем. Концентрация взвешенных частиц в воде, подаваемой на орошение устройства, составляла от 3 до 5%. Для большинства других систем мокрой газоочистки, которые используются для данной цели, такая высокая концентрация является неприемлемой.

Также заявляемое устройство использовалось для очистки от цианистого водорода HCN продувочного воздуха емкостей выщелачивания золотоносной руды. Производительность устройства по очищаемому воздуху составляла 12300 м3/ч, эффективность поглощения HCN была на уровне 94÷96% при входной концентрации цианистого водорода 0,2÷0,4 г/м3. При этом в качестве орошающей жидкости использовался водный раствор нефильтрованного известкового молочка с большой концентрацией песка и мелких камней размером до 5 мм. Данный раствор невозможно применять для орошения большинства других высокоэффективных систем мокрой газоочистки, которые используются для данной цели.

В обоих случаях решетчатая тарелка была выполнена в виде набора четырехугольных завихряющих насадок показанных на Рис.4а, каждая насадка была размером в плане 100х100 мм и обеспечивала отклонение струй от вертикали на угол 71º. Соотношение проходного сечения щелей к общей площади решетчатой тарелки составляет 0,227 м²/м². В первом устройстве решетчатая тарелка состояла из 135 таких насадок, а во втором устройстве решетчатая тарелка состояла из 81 таких насадок.

Вихри сформированные насадками отходят от решетчатой тарелки в среднем на 20 мм прежде, чем происходит их смешивание между собой и жидкостью, и в образовавшемся газожидкостном слое возникает турбулентность и/или хаос и/или формируется пена.

Приведенное выше описание предпочтительных вариантов осуществления настоящей заявке было представлено в целях иллюстрации и описания, и не предназначено для исчерпывающего изложения особенностей изобретения и его применения или для ограничения темы изобретения одной точно описанной и раскрытой его формой. Очевидно, что возможны модификации или вариации в свете изложенных концепций. Данные варианты осуществления изобретения были выбраны и описаны с целью обеспечить лучшую иллюстрацию принципов работы предлагаемого устройства и его практического применения, чтобы таким образом позволить специалисту с обычной квалификацией в данной области, использовать текущее изобретение в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, в зависимости от конкретного применения. Все такие модификации и изменения находятся внутри сферы применения данного изобретения, определенной в прилагаемой формуле изобретения, когда она интерпретируется в соответствии с широтой, на которую данная заявка может с полным юридическим правом претендовать.

Изобретение относится к химической, металлургической, энергетической и другим сферам промышленности и связано с тепломассообменом и химическим обменом, и взаимодействием между двумя текучими средами, такими как газ и жидкость, например, для удаления пыли и химических загрязнителей газа. Оно может использоваться как скруббер, абсорбер, десорбер, теплообменник или химический реактор. Устройство для смешивания текучих сред включает восходящий канал для первой текучей среды, насадки, формирующие двухмерную решетку поперек этого канала так, чтобы первая текучая среда проходила сквозь эту решетку, и средство для внесения второй текучей среды в канал над решеткой. Множество насадок имеют такую форму и расположены внутри этой решетки таким образом, чтобы первая текучая среда, проходя сквозь эту решетку, формировала в канале над этой решеткой по меньшей мере по одной струе первой текучей среды для каждой из множества насадок. Каждая струя сформирована одной из множества насадок, разнонаправлена по крайней мере с одной струей, сформированной соседней насадкой. Множество струй сформированы насадками так, чтобы в канале над решеткой они формировали нелинейное течение первой текучей среды и взаимодействовали в канале над решеткой со второй текучей средой, внесенной в этот канал. В устройстве осуществляется способ смешивания текучих сред. Насадка для формирования множественных струй текучей среды состоит из корпуса с впускным и выпускным отверстиями, имеющего боковые стенки и центральную ось, и лопастей, закрепленных внутри этого корпуса. У каждой лопасти есть по меньшей мере четыре кромки. У каждой лопасти две смежные кромки присоединены к боковой стенке, две другие смежные кромки свободны. Если провести линии вдоль свободных кромок, то эти линии будут окружать центральную ось корпуса. Технический результат: высокая эффективность тепломассообмена, высокая надежность. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Устройство для смешивания текучих сред, включающее в себя восходящий канал для первой текучей среды; насадки, формирующие двухмерную решетку поперек этого канала так, чтобы первая текучая среда проходила сквозь эту решетку; и средство для внесения второй текучей среды в этот канал над этой решеткой; в котором множество насадок имеют такую форму и расположены внутри этой решетки таким образом, чтобы первая текучая среда, проходя сквозь эту решетку, формировала в канале над этой решеткой по меньшей мере по одной струе первой текучей среды для каждой из множества насадок;

при этом каждая струя сформирована одной из множества насадок, разнонаправлена по крайней мере с одной струей, сформированной соседней насадкой,

при этом множество этих струй сформированы насадками так, чтобы в канале над решеткой они формировали нелинейное течение первой текучей среды и взаимодействовали в канале над решеткой со второй текучей средой, внесенной в этот канал.

2. Устройство по п. 1, в котором множество насадок имеют такую форму и расположены внутри решетки таким образом, чтобы первая текучая среда, проходя сквозь эту решетку, формировала в канале над этой решеткой по несколько струй первой текучей среды для каждой из множества насадок; при этом множество этих струй из множества насадок образуют при взаимодействии нелинейное течение первой текучей среды в канале над решеткой и взаимодействуют в канале над решеткой со второй текучей средой, внесенной в этот канал, где нелинейное течение первой текучей среды состоит, по существу, из текущих вверх вихрей.

3. Устройство по п. 2, в котором множество насадок выполнены таким образом, что вихри, сформированные каждой насадкой, вращаются, по существу, в одном направлении.

4. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит насадки, по существу, формирующие вторую двухмерную решетку поперек канала так, чтобы первая текучая среда проходила сквозь эту вторую решетку; и средство для внесения второй текучей среды в этот канал над этой второй решеткой, и где множество насадок имеют такую форму и расположены внутри этой второй решетки таким образом, чтобы первая текучая среда, проходя сквозь эту вторую решетку, формировала в канале над этой второй решеткой по меньшей мере,по одной струе первой текучей среды для каждой из множества насадок, при этом каждая струя сформирована одной из множества насадок, разнонаправлена по крайней мере с одной струей, сформированной соседней насадкой, при этом множество этих струй сформированы насадками так, чтобы в канале над второй решеткой они формировали нелинейное течение первой текучей среды и взаимодействовали в канале над второй решеткой со второй текучей средой, внесенной в этот канал.

5. Устройство по п. 1, где насадки являются насадками по п. 10.

6. Способ смешивания текучих сред, заключающийся в том, что первая текучая среда проходит по восходящему каналу сквозь двухмерную решетку из насадок, распложенную поперек этого канала; формирует в этом канале над этой решеткой при прохождении первой текучей среды сквозь эту решетку по меньшей мере по одной струе первой текучей среды каждой из множества насадок, разнонаправленно по крайней мере с одной струей, сформированной соседней насадкой, при этом множество этих струй взаимодействует так, чтобы в канале над решеткой они формировали нелинейное течение первой текучей среды; а также вводят вторую текучую среду в этот канал над этой решеткой так, чтобы нелинейное течение первой текучей среды контактировало и взаимодействовало в канале над решеткой со второй текучей средой, внесенной в этот канал, где нелинейное течение первой текучей среды состоит из текущих вверх вихрей.

7. Способ по п. 6, где вихри вращаются, по существу, в одном направлении.

8. Способ по п. 6, в котором насадки формируют вторую двухмерную решетку поперек канала так, что первая текучая среда проходит сквозь эту вторую решетку, вводят вторую текучую среду с помощью средства для внесения второй текучей среды в этот канал над этой второй решеткой, насадки расположены внутри этой второй решетки таким образом, что первая текучая среда, проходя сквозь эту вторую решетку, формирует в канале над этой второй решеткой по меньшей мере по одной струе первой текучей среды для каждой из множества насадок, при этом множество этих струй взаимодействуют так, что в канале над второй решеткой они формируют нелинейное течение первой текучей среды, а нелинейное течение первой текучей среды взаимодействует в канале над второй решеткой со второй текучей средой, внесенной в этот канал.

9. Способ по п. 6, где для реализации способа применяются насадки по п. 10.

10. Насадка для формирования множественных струй текучей среды, состоящая из корпуса с впускным и выпускным отверстиями для текучей среды, обладающего боковыми стенками и центральной осью; и лопастей, закрепленных внутри этого корпуса, где у каждой лопасти есть по меньшей мере четыре кромки; при этом у каждой лопасти две смежные кромки присоединены к боковой стенке; при этом у каждой лопасти две другие смежные кромки свободны, при этом если провести линии вдоль этих свободных кромок, то эти линии будут окружать центральную ось этого корпуса.

11. Насадка по п. 10, где по меньшей мере одна из присоединенных кромок каждой лопасти совпадает с кромкой выпускного отверстия.

12. Насадка по п. 10, где линии, проведенные вдоль двух свободных кромок, по существу, сходятся на центральной оси.