Тепло-массообменный аппарат Советский патент 1978 года по МПК B01D3/32 

1

Изобретение относится к пленочным аппаратам для проведения массе-, теплообменных процессов в системе жидкость - газ и может быть, в частности, использовано в химической, нефтяной, пиш,евой, фармацевтической и других отраслях промышленности для разделения методом вакуумной ректификации смесей термически нестойких и близкокипящих продуктов.

Известен тепло- массообменный аппарат, содержащий корпус, контактные элементы, выполненные в виде горизонтальных и наклонных отбортованных пластин, свернутых в спираль, и устройства для ввода и вывода фаз.

Однако в процессе работы известного аппарата неравномерно распределяются скорости газовой фазы по высоте аппарата. Это объясняется тем, что расход газа в вертикальном направлении все время изменяется, так как газ частично проникает через щелевое пространство между пластинами по другую сторону винтовой поверхности. Живое же сечение аппарата для прохода газа в вертикальном направлении постоянно по всей высоте аппарата. Это обстоятельство приводит к наличию «узких мест в аппарате, где скорость газа максимальна, в то время как в большей части объема аппарата скорость газа значительно ниже предельно допустимой. Нагрузка аппарата по газовой фазе,

особенно при вакуумной ректификации, существенно ограничивается наличием предельно допустимой скорости газа в «узком месте аппарата. В случае же заданной производительности «узкие места создают

местные сопротивления, увеличивающие суммарное гидравлическое сопротивление аппарата проходу газовой фазы.

В таком аппарате имеет место сужение живого сечения для прохода газа в щеленом пространстве между пластинами вследствие залипания жидкости между пластинами вдоль наружных бортов, обращенных к стенкам аппарата. Это происходит в тех случаях, когда щирина зазора между пластинами мала, а нлотность орошения рабочей поверхности пластин велика. Под действием центробежных сил, развиваемых при течении пленки жидкости вдоль скругленных пластин образуется «валик жидкости, загромождающий вход для газовой фазы в щелевые зазоры между пластинами. Это приводит к неравномерной работе аппарата и повышению его гидравлического сопротивления. В аппарате происходит частичное нарушение перекрестной схемы движения пленки жидкости и газового потока, обеспечивающей высокую эффективность процесса, в том случае, когда число заходов винтовой поверхности значительно, а нагрузка аппарата по газовой фазе умерена, т. е. не достигает предельно возможной нагрузки для данного аппарата. При этих условиях газовый поток, выбирая направление наименьшего гидродииамического сопротивления, огибает очередную направляющую перегородку ие в поперечном к пластинам направлении, а поднимается вверх вдоль пластин по винтовой траектории, т. е. противотоком к пленке жидкости, н затем появляется на другой стороне направляющей перегородки. Получающийся при этом отрицательный эффект равносилен исключению из процесса некоторой долн суммарной смоченной поверхности анпарата. Кроме того, недостатком известного аппарата является сильное влияние продольной диффузии в газовой фазе на эффективность процесса разделения в аппарате. Даже в том случае, когда газовый поток пересекает щелевое пространство между пластинами в поперечном к ним направлении, относительно короткая длина зазора между нластинами, равная ширине пластин, приводит к выравниванию состава газовой фазы на входе в зазор и на выходе из него, что ухз дшает эффективность процесса. Движение пленки жидкости вдоль пластин, т. е. в поперечном к газовому потоку направлении, возмущая газовый поток, также снособствует выравниванию состава газовой фазы в наиравлепии ее движения. Цель изобретения - интенсификация процесса и уменьшение гидравлического сонротивлення. Это достигается размещением контактных элементов в корпусе в виде усеченных конусов с общим большим основанием, на меньших основаниях которых установлены горизонтальные перегородки, а также тем, что наружный край лластин расположен выше внутреннего и на отбортованных сторонах пластин установлены изогнутые промежуточные перегородки с отогпутыми в разные стороны концами н образующие зазор с поверхностью пластин. На фиг. I изображен общий вид аппарата в продольпом разрезе с контактными элементами, расположепными в корпусе в виде усеченных конусов; на фиг. 2 - сечение А-А на фнг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - общий вид аппарата с пластинами различного наклона; на фиг. 5--то же, с перегородками, установленными на пластинах; на фиг. 6-сечение В-В на фиг. 5; на фиг. 7-10 - различные варианты исполнения перегородок. Тепло-, массообменный аппарат состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с патрубками 2 и 3 для входа и выхода газа и 4 и 5 для входа и выхода жидкости. В корпусе установлен пакет пластин 6, снабженных внутренними бортами 7, обращенными внутрь пакета и наружными бортами 8, обращенными к стенкам аппарата. Пластины 6 расиоложены в виде двухзаходной винтовой поверхности. В полости аипарата между впутреипими бортами 7 пластин установлены внутренние направляющие перегородки 9; между наружными бортами 8 нластин и стеиками корпуса 1 устаиовлена иаружная направляющая перегородка 10. Пластины объединены в пакет с помощью стержней И и щтырей 12, размещенных между пластинами и жестко связаиных со стержнями 11. Последние жестко связаны с нанравляющими нерегородками 9 и 10. Отличительной особенностью аипарата является то, что пластины 6 смещены одна относительно другой в горизонтальной плоскости, причем величина просвета между внутренними бортами 7 пластип изменяется но высоте аппарата. Одновременно измеияется, однако в обратную сторону, величина просвета между наружиыми бортами 8 пластин и стенками корпуса 1 аппарата. Скругленные пластипы 6 имеют небольшой боковой наклон от наружного борта 7 к центру кривизны, т. е. внутрь аппарата. Щелевое пространство между пластинами 6 секционировано промежуточными перегородками 13, нанравленными от одного борта 7 пластины 6 к другому. Нижний край промежуточной нерегородки 13 образует зазор с новерхностью смежной пластины 6. Этот зазор необходим для беспрепятственного течения пленки по всей длине пластин 6. Кроме того, могут быть перегородки расположены перпендикулярно к новерхности пластины 6 н к боковому краю пластины и имеют прямоугольную форму. Они кренятся к пластинам 6 снизу; их длцна необязательно должна быть равна ширине нластины, они могут быть значительно короче. Перегородки 14 в отличие от перегородок 13 расположены наискось но отношению к краю пластины и крепятся к бортам 7 пластииы. Они могут быть снабжены отверстиями 15. Наклоиное расположение перегородок предпочтительно, когда необходимо частично использовать кииетнческую энергию газового потока для ускорения движения нленки вдоль пластины 6. Отверстия 15 могут служить для выравиивапия скоростного профиля газового потока по длине пластины 6. Перегородки 16 выиолнены с перемеиым по ее длине углом наклона к краю ластины. Наличие плавных закруглений в ерегородке способствует образованию так

называемых вихрей Гертлера в газовой фазе, движущейся между перегородками. Вихри Гертлера способствуют интенсификации массообмена в газовой фазе.

Перегородка 17 выполнена таким образом, что оба конца ее расщеплены профильным вырезом на две половнны 18, отогнутые под различными углами к остальной части перегородки. Такая форма исполнения также способствует полезному перемешиванию в газовой фазе.

Перегородка 19 снабжена боковыми выступами 20, которые получаются в результате отгиба в сторону отдельных надрезанных участков перегородки.

Аппарат работает следующим образом.

Жидкость через распределительный патрубок 4 подается на двухзаходную винтовую поверхность пластин и стекает вниз ко верхней поверхности -пластин. Из нижней части корпуса 1 жидкость удаляется через патрубок 5. Газ входит в аппарат через патрубок 2 и направляется глухой перегородкой 9 в кольцевое пространство между стенками корпуса 1 и наружными бортами 8 пластин 6. По мере продвижения вверх расход газовой фазы в указанном пространстве постепепно уменьшается вследствие проникновения все возрастающего количества газа во внутрь пакета пластин через щелевое пространство между пластинами 6, прнчем щирина просвета между бортами 8 пластин и стенкой корпуса 1 уменьшается в направлении движения газового потока. Благодаря этому линейная скорость газа существенно не изменяется на всем его пути в указанном кольцевом пространстве. Аналогично линейная скорость газа в вертикальном направлении внутри пакета пластин также существенно не изменяется по высоте аппарата, ограниченной перегородками 9 и 10. В верхней части накета вертикальные скорости газового нотока также выравниваются по высоте аппарата. Контактирование между газом и жидкостью происходит в щелевом пространстве между пластинами G. Газ выходит из аппарата через патрубок 3.

По второму варианту исполнения газ входит в корпус 1 через патрубок 2 и выходит через патрубок 3. Внутри корпуса 1 газ многократно пересекает пакет пластин

благодаря нанравляющему воздействию перегородок 9 и 10. Жидкость поступает в аппарат через патрубок 4 и стекает пленкой вдоль пластин 6 по ннсходящей винтовой траектории. Небольщой боковой наклон пластин к центру аппарата компенсирует действие цептробелшых снл на нленку жидкости, и толщина пленки по ширине нластины существенно не изменяется.

0 По третьему варианту исполнения жидкость подается на верхнюю часть двухзаходной винтовой поверхности через патрубок 4 и стекает вдоль пластин 6 по винтовой траектории. Жидкость перетекает с

5 верхнего пакета на иокний и затем иопадает на дно аппарата, откуда удаляется через патрубок 5. Газ (нар) входит в аппарат снизу через натрубок 2 и затем, направляемый перегородками 10 и,9, пересекает пакеты пластин, проходя/через щелевое пространство между пластинами в поперечном к ним нанравлении (см. стрелки на фиг. 5). Контакт между фазами нроисходит в щелевых каналах между пластинами. Промежуточные нерегородки 16, 17 и 19 способствуют процессам переноса веП1,ества в газовом потоке, повьшаяобщую эффективность аппарата. Газ удаляется из аппарата через патрубок 3.

Формула изобретения

1.Тепло-, массообменный аппарат, содержан,ий корпус, контактные элементы, выполненные в виде отбортованных нла5 стин, свернутых в спираль, и устройства ввода и вывода фаз, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью иитенснфнкации процесса и уменьшения гидравлического сопротивления, контактные элементы размещены в

0 корпусе в виде усеченных конусов с общнм больщим основанием, на меньщих основаниях которых установлены горизонтальные нерегородки.

2.Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что наружный край пластин расположен выше внутреннего.

3.Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на отбортованных сторонах пластин установлены нзогнутые промежуточные перегородки с отогнутыми в разные стороны концами и образующие зазор с поверхностью пластин.

.Г

Фи9,1

/li-A

/

Xf

, |(

y./M/ft

/ 16

Фиъ.З

А

i/s.S

S-ff

f2

19

20