Массообменный аппарат Советский патент 1985 года по МПК B01D3/26 

Изобретение относится к конструк циям массообменньк аппаратов и може быть использовано при проведении массообменных, химических и биологи ческих процессов,, очистки микротуманов, аэрозолей, улавливания вредных веществ из промьшшенных газовых выбросов в системах газ (пар) жидкость. Известен тепломассообменный аппарат S включающий корпус ,с размещен ными по его высоте контактными тарелками в виде полотна с отверстиям и расположенными в них кольцевьс ш клапанами, снабженными переливными трубками, трубки выполнены чз соеди ненных между собой втулок, снабженных глухими перегородками 1 Недостатком данного изобретения является низкая эффективность процесса масообмена. Это обусловлено тем, что взаимодействие фаз осущест ляется лишь в зоне, где один поток пронизывает друго.й, остальной же объем аппарата для процесса массооб мена не используется. Известен также массообменный ап парат, содержащий вертикальньй цилиндрический корпус, горизонтальные перегородки, делящие корпус на .контактные камеры, контактные элементы выполненные в виде коаксиальных цилиндров 5расположенных в контактных камерах, завихрители и лереточные устройства, завихрители выполне ны в виде направляющих цилиндров и размещенньпс на внутренней их поверх ности радиальных вогнутых лопаток и установлены под контактньми элементами 2 . Недостатками данного аппарата яв ляются сложность конструктивного . оформления и высокое гидравлическое сопротивление движению фаз. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является массообкен ный аппарат, включающий корпус, разделенньй по высоте прямоточными тарелками с сопла ми, с установленны ми на них контактными элементами, о разованными двумя плоскопараллельны ми пластинами, плотно примыкающими горизонтальной перегородке (тарелке) и перевернутым плоскоовальным желобом, имеющим отогнутые внутрь торцовые кромки, желоб установлен над горизонтальной перегородкой и ооразует с плосконараллелbiiMf.in tr.iincтинамн два плоских канала, расположенных над соплсзвыми отверстиями, с торцов каналы перекрываются отогнутыми внутрь кромками желоба, сопловые отверстия ограничены с одной стороны плоскопараллельными плас тинами, а с другой - вертикальными перегородками ГЗ J. Недостатком известного контактного устройства является низкая интенсивность процесса массообмена. Указанные недостатки обусловлены тем, что в известном контактном устройстве процесс массообмена интенсивно протекает в начальном участке плоских каналов и в зоне соударения потоков. На участке же плоских каналов, следующих за входным (начальным участком) вплоть до зоны соударения потоков, интенсивность процесса падает, ибо процесс взаимодействия фаз протекает здесь в основном на поверхности газ - жидкостная пленка, поднимающаяся по поверхности плоскопараллельных пластин и перевернутому плоскоовальному желобу, Малая межфазная поверхность пленки и ее быстрая насыщаемость снижают эффективность работы контактного устройства. Цель изобретения - интенсификация процесса массообмена. Поставленная цель достигается тем, что в массообменном аппарате, включающем корпус, разделенный по высрте контактными прямоточными тарелками с соплами, с установленными на них контактными элементами, каждьй из которых образован двумя плоскопараллельными пластинами, примыкающими к тарелке, и перевернутым плоскоовальным желсЗом с отогнутыми внутрь торцовыми кромками, установ-. ленным над тарелкой с зазором и образующим с .плоскопараллельными пластинами два плоских канала, расположенных над соплами, контактные элементы снабжены дополнительными пере-. городками, установленными между плоскопараллельными пластинами и желобамл, при этом в плоскопараллельных пластинах и перегородках выполнены поперечные окна с наклонными лепестками, прикрепленными к нижним краям окон, -Окна в дополнительных перегородках -И в плоскопараллельных пластинах расположены по высоте в чередующейся последовательности.

Плоскопараллельные пластины, дополнительные перегородки и лепестки . вьтолнены перфорированными.

Кроме того, плоскопараллельные пластины установлены на расстоянии от плоскости к тарелки.

Контактные элементы снабжены ме- . таллическими сетками, установленными наклонно в каналах над соплами.

Вьшолнение плоскопараллельных пластин с поперечными окнами и снабжение последних лепестками, прикрепленными к нижним краям окон и установленных наклонно, позволяет разорвать сформировавшуюся пленку жидкоети, движущуюся вверх по поверхности плоскопараллельных пластин, и направить ее по лепестку через окно по каналу, образованному двумя плоско параллельными пластинами, снова на . тарелку. Таким образом, создаются замкнутые циркуляционные циклы для жидкости на элементе. Установка допел-нительных перегородок с поперечными окнами, снабженными лепестками, позволяет создать циркуляционные циклы для жидкости между этими дополнительными перегородками и перевернутыми плоскоовальными желобами. Установление металлических меток в каналах, вьтолнение плоскопараллельных пластин, дополнительных перегородок и лепестков перфорированными или чешуйчатыми способствует обновлению поверхности массообмена и, следовательно, интенсифицирует процесс.

На фиг.1 изображен предлагаемьй аппарат, продольньй разрезj на фиг;2 контактный элемент,плоскопараллельные пластины вьтолнены с поперечными окнами и снабжены лепестками, прикрепленными к нижним краям окон и установленными наклонно; на фиг.З то же, (между плоскопараллельными пластинами и перевернутыми плоско-. овальными желобами устан овлены дополнительные перегородки с поперечными окнами, снабженными лепестками, окна расположены в чередуняцейся последовательности по отношению к окнам на плоскопараллельных пластинах) , на фиг.4 - элемент перегородки с перфорацией (форма перфораций может быть округлой, овальной, квадратной, прямоугольной, трапециодальной, ромбической, секторной, сегментной и т.д.), 1,а фиг. 5 - элемент пергородки с поперечными окнами, снабжеными лепестками; на фиг.6 - вариант исполнения, когда лепесток выполнен перфорированным; на фиг.7 элемент перегородки, когда перфорации выполнены чешуйчатыми; на фиг.З - разрез А-А на фиг.7; на фиг.9 - гидродинамическая картина в контактном элементе; на фиг.10 узел I на фиг.1 на фиг,11 - контактный элемент с сетками, установленными наклонно.

Массообменный аппарат состоит из корпуса 1, с установленными коаксиально ему с зазором, образующим кольцевую щель 2, обечайками 3, с перфорациями 4, вьшолненными в верхней части. Аппарат секционирован по высоте прямоточными тарелками 5 с установленными на них контактными элементами 6. Над контактными элементами в каждой секции установлены:

завихритель 7, сепаратор 8, выполненный в виде набора радиальных криволинейных пластин с установленным по .оси конусом 9, расширитель, являющийся по назначению инерционным сепаратором 10. Входящая внутрь расширителя обечайка имеет сплошную стенку и примыкает к сепаратору. Штуцеры 11 и 12 предназначены для входа и выхода газа 13 и 14 соответственно для жидкости. Контактньй элемент 6 образован перевернутым плоскоовальным желобом 15, имеющим отогнутые внутрь торцовые кромки i6. Внутри элемента установлены плоскопараллельные пластины 17. Последние могут быть выполнены в виде П-образной одной пластины с окном 18 в ее верхней части. Плоскопараллельные пластины 17 и желоб 15 установлены на тарелке 5 с зазором 19 и 20 соответственно. Пластины 17 выполнены с поперечными окнами 21 и снабжены лепестками 22, прикрепленными к нижним краям окон. В каналах 23, образованных пластинами 17 и желобами 15, могут устанавливаться дополнительные перегородки 24 с поперечными окнами 21, снабженными лепестками 22 и образукяцие каналы 25. Окна 21 пластин 17 и перегородок 24 расположены в чередующейся последовательности. В каналах 23 может быть установлен наклонно металлическая сетка 26. Торцовые стороны контактного элемента прикрыты стенками 27. Контактньй элемент устанавливается над соплами 28 на тарелках 5 и крепится к последним с помощью пятачков 29 (например, контактной сваркой, болтовым соединением и т.д. Величина зазора 30 между тарелками 5 и обечайками 3 регулируется перемещением тарелки 5 по штанге 31.Герметичность узла достигается посредством уплотнительного элемента 32 и фланцевого соединения 33.

Аппарат работает следующим образом.

Газ подают через штуцер 11 в нижнюю часть аппарата, откуда JH через сопла 28 поступает в контактньй элемент 6, инжектируя поступающую на тарелку жидкость. Основная часть газожидкостного потока (эмульсии) по каналам 23 движется вверх, достигнув верхней (овальной) части желоба, потоки в элементе направляются навстречу друг другу и соударяются.,. В результате резкого аэродинамического торможения происходит интенсивное взаимодействие потоков, взаимопроникновение, дробление и коалесценция капель. При этом частицы газожидкостного потока в момент удара приобретают знакопеременное ускорение, многократно переходя из . одной структурной единицы объема потока в другую. Часть жидкости в виде пленки поднимается по поверхности пластин 17 и желоба 15, контактируя с газом через поверхность пленки. Достигнув верхней кромки лепестков 22, жидкость срывается с них, дробится .на капли с образованием дополнительной поверхности массообмена и уносится с газожидкостным потоком жидкости в виде пленки, огибает лепесток и через окно 21 в виде пленки опускается по обратной стороне пластин 17 на тарелку, откуда снова инжектируется газовым потоком далее весь процесс повторяется. Р случае установки в контактном эла- :те дополнительных перегородок 24 процес протекает аналогично вйшеописанному с той лишь разйидей, что нисходящее движение пленки здесь происходит и в канале 25.

Металлическая сетка (размер ячеек 5x5, 7x7 с толщиной проволоки 0,5-1 NIM) , установленная в каналах 23, способствует дроблению и коалесценции капель эмульсии, т.е. дополнительной интенсификации процесса масообмена.

Выйдя из контактного элемента газожидкостной поток в виде мелкодисперсной насыщенной эмульсии поступает в завихритель 7, закручивается, и обтекая корпус 9, поступает в сепаратор 8. При движении в криволинейных радиальных каналах сепаратора за счет действия центробежных сил из газожидкостного потока отде.ляется жидкость и собирается в нижней части кожуха сепаратора 10, откуда по штуцеру жидкость поступает на нижеследующую ступень. Дополнительно очщенньм в инерционном сепараторе 10 газ поступает в вьш1ележащую секцию. При выходе из завихрителя 7 в закрученном газожидкостном потоке часть жидкости под действием центробежных сил сепарируется и в виде пленки по обечайке 3 движется вверх. Достигнув перфораций 4 верхней части обечаек 3, яаздкость поступает в кольцевой канал 2 и по нему на тарелку, где снова инжектируется газовым потоком в контактном элементе. Изменением величины зазора 30 регулируется количество рециркулируемой жидкости в секции.

Таким образом, в данной конструкции аппарата имеется два независимых рециркуляционных контура: один на контактном элементе, другой по секции. Наличие рециркуляционных контуров позволяет значительно снизить расход исходной жидкости в целом по аппарату, не снижая объемного соотношения потоков в контактном элементе и по секциям, что особенно важно при дефиците или высокий стоимости жидкой фазы.

. Расположение окон, снабженных лепестками, на пластинах 17 и дополнительных перегородках 24 в чередующейся последовательности, при незначительном гидравлическом сопротивленииспособствует многократному изменению направления движения газожидкостного потока, что ведет к перераспределению скоростей потока,созданию дополнительных вихревых зон за лепестками. Все это способствует интенсификации процесса массообмена. При выполнении пластин, дополнительных перегородок и лепестков перф7рированными либо чешуйчатыми дополнительная интенсификация процесса м сообмена достигается за счет проник новения части газожидкостного потока (в основном газовой фазы) в перфорации с последующим взаимодействи ем и разрушением стекающей пленки жидкости. Эффект инжекции в сочетании с эф фектом соударения потоков, многокра ной -рециркуляцией жидкости в контактном элементе и по секциям в сочетании с вышеописанными эффектами способствуют интенсификации процессов, протекаюищх в аппарате. К достоинствам данного аппарата следует отнести и возможность поэлементного моделирования контактн зоны аппарата, что позволяет создать аппараты любых размеров, практически неограниченные производител ности без нарушения гидродинамики в контактных элементах. Движение фаз: прямоток в контакт ном элементе и по секции с общим противотоком в аппарате. Количество секций в аппарате определяется требованиями технологии процесса. Была изготощтена лабораторная модель аппарата диаметром 350 мм с одной ступенью контакта. Исследования проводились на системе газ жидкость: десорбция кислорода из воды воздухом. Проведенные исследов ния показали, что, эффективность массообмена возросла на 46-57% по сравнению с данными, опубликованными в периодической печати для случая Скруббера, трубы Вентури и тарельчатой колонны. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о преимуществе пред лагаемой модели аппарата по отношению к прототипу. 33« В настоящее время в промьшшенности для очистки отходящих газов от SOj при обработке серосодержащих минералов (свинцовая. Цинковая, медная, оловянная и др.) растворами аммиака, ксилидина, диметиланилина широко применяются насадочные колонны с насадками: кольца Рашига, Лессинга, Поля и Диксона, седлами Макмагона. Так для очистки отходящих газов цеха обжига цинковой обманки морской водой фирмы Электролитик Зинк Ко (Рисдон, Австралия) работают 4 круглых, башни с деревянной насадкой площадью 12,1 м каждая, диаметром 5 м, и высотой 5 м, достигаемая при этом эффективность более 95% при расходе газа и расходе воды 3,25-10 кг/ч. По совокупности показателей его качества, эти башни с деревянной насадкой приняты за базовый объект. К достоинствам указанных колонн следует отнести простоту конструкции и низкую их стоимость на изготовление. Недостатком данных колонн является высокое гидравлическое сопротивление и низкая интенсивность процесса. Это обусловлено тем, что большая часть объема контактной зоны занята деревянными досками, брусками. Массообмен протекает в основном на границе стекагацей по насадке пленке, быстрая насьщаемость последней снижает интенсивность процесса. Применение данного устройства по сравнению с базовым объектом позволит организовать интенсивный гидродинамический режим в аппарате, до минимума сократить продольное перемешивание по газу и интенсифицировать процесс массообмена.

Фиг. /

Фиг.д

ФигЛ

1. МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ, включающий корпус, разделенный по высоте контактными прямоточными тарелками с соплами, с установленными на них контактными элементами, каждый из которых образован двумя плоскопараллельными пластинами, примыкающими к тарелке, и перевернутым плоскоовальным желобом с отогнутыми внутрь торцовыми кромками, установленным над тарелкой с зазором и образующим с плоскопараллельными пластинами . два плоских канала, расположенных над соплами, отличающийся тем, что, с целью, интенсификации массообмена, контактные элементыснабжены дополнительными перегородками, установленными между плоскопараллельными пластинами и желобами, при этом в плоскопараллельных пластинах и перегородках вьтолнены поперечные окна с наклонными лепестками, прикрепленными к нижним краям окон. 2.Аппарат по п.1, о т л и ч а ющ и и с я veM, что окна в дополнительных перегородках расположены по высоте в чередующейся последовательности по отношению к окнам в плоскопараллельных пластинах. 3.Аппарат по п.1, отличающийся тем, что плоскопараллельные пластины, дополнительные перегородки и лепестки выполнены перфорированными . 4.Аппарат по п.1, о т л а ющ и и с я тем, что плоскопарал-г лельные пластины установлены на раскчд стоянии от плоскости тарелок. 5.Аппарат по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем,что контактные элементы снабжены металлическими сетками, установленными наклонно в каналах над соплами.

Фиг.7

/1-А

Фиг.8

гъ

Фиг. 9

I

Фиг. 10