Способ очистки газовых потоков от газообразных примесей и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК B01D45/12 

1 Изобретение относится к газовой очистке и может быть использовано для сепарации газообразных конденсируемых- примесей из газов, движущихся по трубопроводам под действием избыточного давления,

Целью заявляемого изобретения является повышение эффективности очистки путем интенсификации процессов конденсации и роста образующихся капель.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для очистки газовых потоков; на фиг. 2 - эпюра амплитуд давлений стоячей волны во внутренней полости тела шнека;

на фиг. 3, 4 - эпюры амплитуд давлений стоячей волны в канале шнека.

Как указывалось ранее, основным недостатком известных способа и устройства является низкая эффективность очистки в связи с малыми размерами конденсирующихся частиц, поэтому для повышения эффективности очистки необходимо интенсифицировать процессы образования и роста образующихся капель во время закрутки потока, В предлагаемом способе такая интенсификация достигается за счет воздействия на поток ультразвуковым полем, частота которого совпадает с резонансной частотой

XJ

Ю

ел

4

поперечных колебаний каналов шнека в направлении нормали к змеевику. Действие колебаний давления, интенсифицирующих процесс образования и роста капель, заключается в следующем,

Во-первых, пульсации давления газа в каналах шнека-завихрителя существенно интенсифицируют процесс конденсации, т.к. в течение половины периода колебаний давления онр становится ниже давления насыщения, а пар переходит в метастабильнбе состояние. Метастабильное состояние для реальных паров, содержащих механические примеси-(например, частицы, являющиеся результатом износа оборудования), является неустойчивым и приводит к лавинообразной конденсации паров. Во вторую половину периода колебаний давление становится выше давления насыщения, однако, из-за медленности процессов испарения (по сравнению со скоростью колебаний давления) испарение капли произойти, не может. ;.. . - - :/

Во-вторых,, первоначально мелкодисперсные капли жидкости под действием давления низкочастотной ультразвуковой волны, проникающей .в каналы шнека через отверстия в боковых стенках внутренней полости тела шн.ёка, начинают совершать колебательные движения с частотрй .f в пространстве каналов шнека-завихрителя, Таким образом, на спиралеобразную траекторию движения микроскопических (сразу после момента образования) капель накладываются колебательные с частотой f перемещения, в результате чего капля периодически попадает в зоны переохлажденного (метастабильного) пара и вызывает интенсификацию процесса конденсаций, становясь ядром (центром) конденсации. При этом размер самой капли интенсивно растет...

В-третьих, эффективность описанных механизмов пропорциональна амплитуде колебаний давления, зависящей от мощно- сти источника. Мощность обычных газоструйных излучателей ограничена, и в обычно реализуемых конструкциях поток энергии не превышает 10 Вт/см2, Однако, плотность энергии в замкнутом объеме мо- жет быть повышена в десятки раз при совпадении частоты собственных колебаний объема, в нашем случае, каналов шнека, с частотой вынуждающих колебаний, возбуждаемых излучателем, т.е. при обеспечении резонанса, Под. воздействием колебаний, возбуждаемых ультразвуковым й.злучате- лем в акустически связанном с ним цилиндрическом стакане, устанавливается стоячая волна, эпюра амплитуд А давлений которой

представлена на фиг. 2, где L - длина внутренней полости, А - длина волны низкочастотных ультразвуковых колебаний

.

где с - скорость звука, f - частота ультразвуковых колебаний.

Колебания давления во внутренней полости тела шнека возбуждают колебания скорости газа в отверстиях боковой стенки, которые в совокупности с каналами шнека образуют соответственно горло и полость резонатора. Расположение отверстий в

зоне пучностей (максимумов амплитуд) давления обеспечивает максимальную колебательную скорость газа в каналах отверстий и в свою очередь наибольшую амплитуду колебаний в каналах шнека. Кратность размера канала шнека в направлении нормали, к змеевику целому числу полуволн обеспечивает образование стоячей волны в канале, эпюры амплитуд давления которой представлены на

Л

фиг. 3, при этом эпюра а) - для б)- для

h -2 -5-. где h - ширина канала, А - длина

ВОЛНЫ, : : у.- : . .

Распределение амплитуд давлений низкочастотной ультразвуковой волны, венно представленное на фиг. 3,приводит к тому, что на капли, движущиеся в канале шнека, будут действовать силы (в направлении узлов стоячей волны), перемещающие капли от стенок змеевика к центру. Таким образом, в зонах узлов стоячей волны в каналах шнека ультразвуковое; поле обеспечит наибольшую концентрацию капель малых размеров, что приведет к их слиянию в крупные капли, которые из-за своих размеров и массы при выходе из каналов шнека не будут уноситься спутным потоком газа. Кроме того, движение малых капель во время пребывания в шнеке от стенок обеспечивает защиту змеевика от обмерзания, и, следовательно, повышает КПД устройства.

В-четвертых, создание стоячей волны,

А

удовлетворяющей условию h

где

A c/fMh n -у , где п 1,2,3... в рассматриваемой системе реализуется еще и тем, что змеевик выполнен в виде цилиндрической пружины переменного, уменьшающегося по ходу потока шага. Так, по мере продвижения потока по каналу шнека, он охлаждается, при этом меняется скорость

звука с в газе потока, следовательно, меняется и длина волны А, откуда, исходя из

u AA равенства п илип -у-.должна меняться и ширина канала. Величина изменения ширины канала пропорциональна уменьшению скорости звука в охлаждаемом газе и определяется из условия;

ДТ:

где п - 1,2.3,..., f - частота колебаний, возбуждаемых ультразвуковым излучателем, R

-универсальная газовая постоянная,у- показатель адиабаты газа, Т - температура осушаемого газа на входе в шнек, А Т - изменение температуры осушаемого газа на длине одного шага змеевика. .

Величины Т и AT определяются из теплового расчета теплообменника. При такой реализаций технического решения в каналы шнека через отверстия в боковой стенке внутренней полости тела шнека излучается звуковой поток одинаковой интенсивности с постоянной максимальной амплитудой, а в полостях каналов реализуется стоячая

волна, обеспечивающая описанные выше эффекты образования крупных капель жидкой фазы примесей.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит (фиг.1) корпус 1 с входным патрубком 2 и расположенным внутри корпуса шнеком-завихрителем 3, выходной патрубок 4 и охватывающую выходной торец шнека 3 и выходной патрубок 4 камеру осаждения 5 со сливным патрубком

6. Направляющие шнека-завихрителя 3 выполнены в виде теплообменника-змеевика

7. связанного одним концом через вентиль 8 с источником хладоносителем 9, другим с дренажом 10. Тело шнека выполнено в виде составного полого цилиндра с отверстиями 11 в боковой стенке, соединяющими его внутреннюю полость 12 с полостями каналов шнека 13, На торце первой по ходу потока части 14 тела шнека выполнены цилиндрическое углубление 15 с заостренной входной кромкой 16, образующие с входным патрубком 2, выполненным в виде сверхзвукового сопла, газодинамический ультразвуковой излучатель. Вторая часть 17 тела шнека выполнена в виде жестко связанного жестко связанного с корпусом цилиндрического стакана, относительно которого первая часть 14 установлена с возможностью осевого перемещения. Витки теплообменника-змеевика 7 образуют пружину с уменьшающимся по ходу потока шагом, концы 18 которой жестко связаны с корпусом, а один из промежуточных витков 19 жестко соединен с первой подвижной частью 14 тела шнека. Параметры углубпе- имя на торце первой части 14 определяются из соотношения

-

10

4(1 +0,3 d)

где с - скорость звука, f - резонансная частота, Г- глубина, d - диаметр.

Размеры полости 12, расположение отверстий 11 и шаг змеевика 7 определяются

из соотношений, указанных в описании предлагаемого способа.

Работает устройство следующим образом. Влажный газ подается на вход па труб- ка 2, в сопле которого он разгоняется до

сверхзвуковой скорости и, взаимодействуя с острой кромкой 16 и углублением 15, возбуждает низкочастотные ультразвуковые колебания подвижной части 14 тела шнека с частотой f, определяемой параметрами угс

лубления 15 и равнойf -...-.ч .В

это время из криогенной емкости 7, заправленной жидким азотом, через открытый вен- . тиль 8 (вентиль 20 закрыт) жидкий азот

подается в каналы теплообменника-змеевика 7, где он, испаряясь, охлаждает стенки канала. 13 до низкой температуры и сбрасывается в атмосферу через дренаж 10. Влажный газ после взаимодействия с подвижной

частью 14 тела шнека попэдгет в каналы 13 шнека-эавихрителя 3. На некотором расстоянии от входа в каналы 13 влажный газ, например, водород, охлаждается холодными стенками каналов до температуры конденсации отделяемой примеси, например, паров воды. Происходит конденсация паров примеси в газовом потоке. При этом колеблющаяся с ультразвуковой частотой подвижная часть 14 возбуждает во внутренней

полости 12 ультразвуковые пульсации давления, которые через отверстия 11 передаются в полости каналов 13.

Пульсации давления газа в каналах 13 шнека 3 образуют стоячую волну и приводят

к реализации следующих эффектов, описанных ранее (описание способа):

во-первых, Vrrf-кратная реализация ме- тастабильного состояния пара, где m - число, порядка отношения длины канала

шнека-завихрителя L к произведению скорости движения газа по каналу на период ультразвуковых колебаний;

во-вторых, колебательное движение капли около спиралеобразной траектории;

в-третьих, создание максимальных амплитуд пульсации давлений;

в-четвертых, реализация в каналах шнека стоячей волны.

Использование этих эффектов позволяет значительно повысить интенсивность .конденсации, роста и коагуляции капель. Полученные таким образом капли жидкости под действием центробежных сил, возникающих в результате движения дисперсного потока по винтовым каналам 13 шнека 3. перемещается к периферии последнего и при выходе потока в камеру осаждения 5 сбрасываются к ее стенкам и удаляются через сливной патрубок 6.

Таким образом, использование изобретения позволит повысить эффективность очистки за счет интенсификации процессов конденсации, роста и коагуляции капель примеси, расширить диапазон очищаемых газов за счет возможности получения, в сравнении с прототипом, более низких температур.

Фор мул аизобретения

1. Способ очистки газовых потоков от газообразных примесей, заключающийся в конденсации паров примеси при .охлаждении потока и центробежной ёепарацим газа от образовавшихся капель, от л и ч а ю щ и- й с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса очистки путем интенсификации процессов конденсации и роста образующихся капель, в потоке в процессе охлаждения и закрутки возбуждают ультра:

звуковые низкочастотные колебания на резонансных частотах низших мод поперечных колебаний,

2. Устройство для очистки газовых потоков от газообразных примесей, содержащее цилиндрический корпус с входным патрук- бом и расположенным внутри корпуса шне- ком-завихрителем, выходной патрубок и охватывающую выходной торец шнека и выходной патрубок камеру осаждения, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса очистки путем ин-. тенсификации процессов конденсациии роста образующихся капель, направляющие

шнека-завихрителя выполнены в виде теплообменника-змеевика, связанного одним концом с источником хладоносителя, другим - с дренажом, шнек выполнен в виде составного полого цилиндра с отверстиями

в боковой стенке, соединяющими его внутреннюю полость с полостями каналов шнека, на торце первой по ходу потока части шнека выполнены цилиндрическое углубление с заостренной входной кромкой,

образующие с входным патрубком, выполненным, в виде сверхзвукового сопла, газодинамический ультразвуковой излучатель, а вторая часть шнека выполенна в виде жестко связанного с корпусом цилиндрического

стакана, относительно которого первая часть установлена с возможностью осевого перемещения, при этом витки змеевика образуют пружину с уменьшающимся, по ходу потока шагом, концы которой жестко связаны с корпусом, а один из промежуточных витков соединен с первой частью шнека.

.Использование: очистка газовых потоков, используемая для сепарации газообразных конденсируемых примесей из газов, движущихся по трубопроводам под действием-избыточного давления. Сущность изобретения: в потоке очищаемого газа в процессе охлаждения и закрутки возбуждают ультразвуковые низкочастотные колебания на резонансных частотах низших мод поперечных колебаний, для чего используется устройство, в котором направляющие шнека-завихрителя выполнены в виде теплообменника-змеевика,; связанного одним концом с источником хладоносителя, другим - с дренажом, шнек выполнен в виде составного полого цилиндра с отверстиями в боковой стенке, соединяющими его внутреннюю полость с полостями каналов шнека, на торце первой по ходу потока части шнека выполнены цилиндрическое углубление с заостренной входной кромкой, образующие с входным патрубком, выполненным в виде сверхзвукового сопла, газодинамический ультразвуковой излучатель, а вторая часть шнека выполнена в виде жестко связанного с корпусом цилиндрического стакана, относительно которого первая часть установлена с возможностью осевого перемещения, при этом витки змеевика образуют пружину с уменьшающимся по ходу потока шагом, концы которой жестко связаны с корпусом, а один из промежуточных витков соединен с первой частью шнека. 2 С.п. ф-лы, 4 ил, И