Тепломассообменный аппарат Советский патент 1985 года по МПК B01D53/18 B01F3/04 

Изобретение относится к области химической технологии, преимущественно к абсорбционным процессам, и может быть использовано для интенсификации тепломассообменных процессов, например при абсорбции SO , НС1 и окислов азота в производстве соответственно серной, соляной и азотной кислот, при разделении газовых смесей, очистке сточных вод, очистке нефтяных и коксовых газов от HjS, азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО и СО, очистке стопочных газов от SOj, приготовлении газированных напитков, и газонасыщенных жидкостей.

Известен тепломассообменный аппарат, включающий корпус с переливными устройствами, устройства для ввода газа, каждое из которых выполнено в виде газового сопла с установленным над ним колпачком 1.

Однако известный аппарат характеризуется низкой интенсивностью процесса массообмена на границе всплывающих пузырьков. В связи с этим необходимо увеличить масцлабы установки, затраты газа и материалов на проведение процесса с необходимым секундным количеством обрабатываемых веществ. Низкая интенсивность массообмена при подаче газа под слой жидкости устройствами объясняется тем, что скорость обТ1овления фаз и турбулизация поверхности массообмена ограничены (скорость обновления фаз составляет порядка 30 см/с, а турбулизация поверхности пузырьков определяется только незначительной циркуляцией внутри свободновсплывающего пузырька со скоростью г pиблнжeннo равной скорости всплытия 30 см/с.

Цель изобретения - интенсификация теп ломассообмена и новыщение экономичности путем обновления жидкости и турбулизадии поверхности массообмена.

Указанная цель достигается тем, что в известном тепломассообменном аппарате , имеющем корпус с переливными устройствами, устройства для ввода паза, каждое из которых выполнено в виде газового сопла с установленным над ним колпачком, каждое устройство для ввода газа снабжено стержнем, проходящим по оси сопла и волноводом, установленным на колпачке, при этом колпачок установлен на стержне и выполнен с острыми кромками со стороны сопла и образует с ним газоструйный стержневой ультразвуковой излучатель.

Кроме того, каждый стержень снабжен упругим элементом, а каждый колпачок - уплотнительным кольцом, размещенным в его верхней части, и установлен с возможностью осевого перемещения относительно сопла с помощью упругого элемента.

Каждое устройство для ввода газа снабжено сетчатым элементом, установленным на торце волновода.

Упругость элемента выбрана из условий

(h 4- Г f - п F (ПР + 1о) tn,

5.у

где -упругость элемента, Н/м;

1о - расчетное расстояние между кромками сопла и колпачка, м; dp-- диаметр колпачка, м; РП - давление газа перед соплом, избыточное над давлением озвучиваемой среды;

lip- глубина колпачка; FH - усилие прижатия уплотнения колпачка к кромкам сопла, при от5сутствии подачи газа.

В предпочтительном варианте устройства на расстоянии, кратном длине волны излучаемого ультразвука от торца колпачка, размещен жестко связанный с ним сетчатый элемент.

0 На фиг. 1 показан тепломассообменный аппарат, вертикальный разрез; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1.

Тепломассообменный аппарат состоит из корпуса 1, переливных устройств 2 трубопровода 3 подачи жидкости, дренажа 4, барботажных тарелок 5 с устройствами для ввода газа 6, коллектора 7 подачи газа (NHs), трубопровода 8 слива обработанного продукта (аммиачной воды). Устройство 6 для ввода газа содержит фланец 9, корпус 0 10 камеры закручивания, цилиндрическое сопло 11, стержень 12, колпачок (резонатор) 13, уплотнительное кольцо 14 из фторопласта, запрессованное в дно резонатора, экспоненциальный волновод 15 (длина волновода равна 1 длине волны излучаемого на расчетном режиме ультразвука 15 кГц в волноводе); армированный ситчатым элементом 16 (упругими пластинами щириной 2 мм и толщиной 0,5 мм, круг диаметром 100 мм из нержавеющей сетки с размерами 0 ячеек 0,2 мм), подсоединенный тангенциально к корпусу 10 камеры закручивания трубопровод 17 подачи газа, упругий элемент (пружина) 18, узел 19 закрепления и застройки упругого элемента 18. Стержень 12 уплотнен во фланец 9 с помощью уплотни5 тельных 14. В нерабочем положении резонатор 13 усилием пружины 18 прижат к кромкам сопла 11, герметизируя коллектор 7 подачи газа от жидкости.

Установка колпачка 13 на стержне 12, проходящем по оси, и его выполнение в виде цилиндрического резонатора с острым кромками с образованием газоструйного стержневого излучателя ультразвука, позволяет преобразовать энергию истекающего через сопло газа в энергию ультразвуковых 5 волн, сильно турбулизировать границу раздела фаз в пузырьках, повысить в пять раз интенсивность массообмена за счет акустических пульсаций давления и формы пузырьков, акустических кумулятивных течений и других ультразвуковых эффектов. Повышение интенсивности массообмена соответственно повысит в пять раз производительность аппарата при тех габаритах и расходе газа. Установка резонатора 13 с помощью упругого элемента 18 с возможностью перемещения относительно сопла, размещение в резонаторе 13 на диаметре кромок сопла уплотнительных колец 14 и выбор упругости в соответствии с приведенным выражением позволяет при выключении подачи газа

Рц О прижать колпачок к кромкам

сопла с силой Fn (например, Fn 0,01 - 0,5 м) и этим герметично отсечь газовый коллектор от жидкости, исключить «провал жидкости и последующие затраты на удаление жидкости из газовых полостей; в процессе работы автоматически обеспечивать перемещение резонатора при изменении давления подачи газа РИ с целью обеспечения оптимального для этого давления расстояния между соплом и резонатором, что позволяет автоматически поддерживать заданные частичные параметры излучателя (оптимальная для процессов массообмена частота 5-20 кГц).

Размещение ситчатого элемента 16 на расстоянии, кратном длине волны излучаемого ультразвука от верхнего торца резонатора 13, жесткая связь ситчатого элемента 16 с резонатором 13, например посредством металлического стержня 12, позволяет эффективно с использованием, резонансных эффектов передать ультразвуковые колебания на ситчатый элемент 16, через который проходят пузырьки обработанного на первом этапе ультразвуковой абсорбции газа.

Ультразвуковые колебания ситчатого элемента 16 позволяют отрывать от него пузырьки газа с диаметром, меньщим диаметра свободного роста, увеличивая этим поверхность массообмена, а также вторично турбулизовать акустическими сечениями барботажную зону, что повышает интенсивность тепломассообмена и соответственно эффективность использования газа в аппарате..

Предлагаемое устройство позволяет создавать крупномасштабные тепломассообменные аппараты повышенной (в 2-5 раз) производительности, а также различные универсальные устройства для интенсивного тепломассообмена между газом и жидкостью в трубопроводах-емкостях для хранения, бытовых сифонах и Др.

Аппарат работает следующим образом. 5 После (одновременно) подачи жидкости в аппарат включают подачу газа в устройство 6 для подачи газа под давлением 5 кгс/см. Газ, попадая в корпус 10 камеры закручивания за счет тангенциального расположения патрубка 17, быстро выравнивает поле скоростей, стабилизируется под давлением и истекает через сопло 1 1 с перепадом давлений больше критического.

Осесимметричная струя расширяющегося газа (бочка) периферийными слоями взаимодействует с кромками резонатора 13, генерируя при этом ультразвук с частотой 15 кГц.

При этом между соплом 11 и резонатором 13 образуется осесимметричная выпуклая поверхность раздела фаз газ-жидкость,

0 пульсирующая в поле ультразвука с образованием капиллярных волн, дроблением, интенсивной турбулентностью. Пузырьки газа, образующиеся в зоне озвучивания при разрушении границы раздела фаз, из-за

5 капиллярных волн и дробления пульсируют в поле ультразвука, при этом давление и те.мпература в них сильно меняются. Все это приводит к значительной интенсификации тепломассообмена между вводимым газом II жидкостью.

0 Выйдя из зоны интенсивного озвучивания (расстояние 5-10 dp от излучателя), пузырьки всплывают к ситчатому элементу 16, который резонансными ультразвуковыми колебаниями осуществляет дробление пузырьков, проходящих через него, и повтор5 ное извучивание.

Таким образом, предлагаемый аппарат может найти широкое применение в аппаратах химической технологии, авиационной технике (при приготовлении газонасыщенQ ных топлив), в бытовых сифонах (при установке резонатора на конце газовой трубки в нижней части сифона), при приготовлении кислородных коктейлей в медицине, газированных напитков в пищевой промышленности и т.д.

5 Использование аппарата повысит интенсивность тепломассообменных процессов между газом и жидкостью, производительность и экономичность тепломассообменных аппаратов.

Фиг.г

1. ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ, имеющий корпус с переливными устройствами, устройства для ввода газа, каждое из которых выполнено в виде газового сопл-а с установленным над ним колпачком, отличающийся тем, что, с целью интенсификации тепломассообмена и повышения его экономичности путем обновления жидкости и турбулизации поверхности массообмена, каждое устройство для ввода газа снабжено стержнем, проходящим по оси сопла и волноводом, установленным на колпачке, при этом колпачок установлен на стержне и выполнен с острыми кромками со стороны сопла и образует с ним газоструйный стержневой ультразвуковой излучатель. 2.Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что каждый стержень снабжен упругим элементом, а каждый колпачок - уплотнительным кольцом, размещенным в его верхней части, и установлен с возможностью осевого перемещения относительно сопла с помощью упругого элемента. 3.Аппарат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждое устройство для ввода газа снабжено сетчатым элементом, установленным на торце волновода.