способ очистки парогазовой смеси от паров растворителей

Формула изобретения

СПОСОБ ОЧИСТКИ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ ОТ ПАРОВ РАСТВОРИТЕЛЕЙ путем охлаждения потока смеси при пропускании через охлаждающий агент с последующим удалением сконденсированной фазы, отличающийся тем, что поток смеси разбивают на тонкие струи путем прокачивания через продольные капиллярные каналы фитильного теплообменника, охлаждение потока проводят при взаимодействии паров растворителя с шероховатостями стенок капиллярного канала и многократного изменения направления течения в нем в диапазоне температур от температуры выше температуры замерзания паров воды до температуры замерзания паров растворителя, а удаление сконденсированной фазы проводят путем отсоса через поперечные каналы фитильного теплообменника из зон конденсации, расположенных в местах изменения направления течения потока смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии очистки парогазовых смесей от паров растворителей, например паров фреона, и может быть использовано в машиностроении, химической и других областях промышленности.

Известен способ очистки газа, например моносилана, путем ступенчатого охлаждения его до температуры, обеспечивающей вымораживание примесей с одновременным отогревом газа на каждой ступени.

Недостатками данного способа являются большие затраты энергии, малая эффективность за счет намерзания "шубы" на элементах конструкции.

Известен также способ очистки парогазового потока с последующим отделением твердой и конденсированной фаз путем пропускания через низкотемпературный очищающий агент, например диспергированную криогенную жидкость, при температуре

t_p^o > t₂^o > t_исп^о, где t₂^o температура газа на выходе из аппарата;

t^o_p температура точки росы парогазового потока;

t_исп^о температура испарения очищающего агента.

Основными недостатками применения диспергированной криогенной жидкости являются выпадение кристаллизирующейся фазы на элементах конструкции аппарата, необходимость отделения твердой фазы, закупоривание его проходных сечений, снижение при этом производительности и степени очистки парогазовой смеси от паров растворителей, большие энергетические затраты.

Главной задачей изобретения является повышение степени очистки парогазовой смеси от паров растворителей, сопровождающееся снижением энергетических затрат на осуществление процесса.

По предлагаемому способу очистки парогазовой смеси от паров растворителей парогазовый поток разбивают на множество тонких струй, пропуская через продольные капиллярные каналы охлаждаемого фитильного теплообменника под давлением, при этом производится его охлаждение от температуры несколько выше температуры замерзания паров воды до температуры замерзания паров растворителя, и обеспечивают его взаимодействие с множеством шероховатостей стенок капиллярного канала и многократное изменение направления течения потока.

Конденсация паров растворителя возможна на шероховатостях стенок, размеры которых больше R_min, определяемого соотношением

R_min= где T_s абсолютная температура насыщенного пара;

Т переохлаждение пара;

r и соответственно коэффициент поверхностного натяжения, удельная теплота фазового перехода и плотность жидкой фазы.

При существенном переохлаждении центрами конденсации могут стать частицы, имеющие молекулярные размеры. Таким образом, на всей поверхности капиллярного канала возможен процесс конденсации паров растворителя. При соударении со стенкой и изменении направления потока в изгибе канала происходит перемешивание струи парогазового потока и отделение от него жидкой фазы. Жидкая фаза, как более тяжелая, собирается в углублениях продольного капиллярного канала, откуда отсасывается через поперечные капиллярные каналы, имеющие более гладкую стенку, в сборник для дальнейшей утилизации. Отсос жидкой фазы практически исключает взаимодействие ее и парогазового потока. Это повышает степень очистки парогазового потока от паров растворителя при снижении энергетических затрат, особенно с низкой температурой кипения, например, таких, как фреон. Давление подачи парогазового потока выбирается таким, чтобы не разрушить фитильный теплообменник, обеспечить течение струи в капиллярном канале с необходимой скоростью для эффективного переохлаждения потока и фазового перехода растворителя.

Таким образом, в фитильных теплообменниках происходит отделение сконденсированной фазы растворителя от газа за счет создания высокого перенасыщения газового потока, взаимодействия его с шероховатостями стенки и отвода жидкой фазы по капиллярам в отстойник.

На фиг.1 показана схема процесса очистки парогазовой смеси от растворителя (фреона), содержащая семь фитильных теплообменников.

Улавливание паров растворителя, например фреона, осуществляется следующим образом. Парогазовая смесь с температурой 10-75^оС и концентрацией растворителя (хладон 113) до 15 г/м³, относительной влажностью 50-90% подается под давлением в устройство 1 для улавливания паров фреона, проходит через теплообменник в виде фитиля 2 с капиллярными каналами, имеющими развитую внутреннюю поверхность в виде шероховатостей, температура которого поддерживается 0,5-0^оС, где происходит конденсация в основном водяных паров, содержащихся в парогазовой смеси, что необходимо для исключения замерзания каналов, при последующем прохождении газа через теплообменники с более низкой температурой.

Затем парогазовая смесь, очищенная от паров воды, проходит через несколько последовательно расположенных фитильных теплообменников 2, охлаждаемых в диапазоне температур от 0 до 34,5^оС, температуры несколько выше кристаллизации хладона 113 -35^оС.

На фиг.2 показан фитильный теплообменник, изготовленный из никеля электролитическим формообразованием. Он состоит из продольных капиллярных каналов 3, имеющих шероховатости на внутренней поверхности и волнистую конфигурацию, поперечных капиллярных каналов 4 с более гладкой стенкой, каналов 5, связывающих продольные и поперечные каналы, трубопровода 6 для прокачки хладагента от холодильного агрегата с целью охлаждения прокачиваемого парогазового потока через фитильный теплообменник.

При прохождении через продольный капиллярный канал тонкой струи парогазового потока происходит перенасыщение парогазового потока и конденсация паров растворителя за счет высокого переохлаждения и при взаимодействии с шероховатостями канала и соударении со стенкой при изменении направления струи в изгибе канала. Одновременно с изменением направления струи происходит ее перемешивание и сепарация, сопровождающаяся отделением жидкой фазы и ее сбором в углублениях продольного капиллярного канала. Из углублений собранная жидкая фаза растворителя по капиллярным каналам 5 поступает в поперечные капиллярные каналы 4 с гладкой стенкой меньшего поперечного сечения, а затем в сборник (не показан). Степень очистки ее парогазового потока в канале зависит от температуры, давления и конденсации паров растворителя.

При конденсации определенного количества молекул растворителя выделяется определенное количество тепла, которое отводится через теплообменник. Известно, что давление и плотность насыщенного пара при этом не зависят от его объема, а зависят только от температуры. Если температура парогазовой смеси на входе в капиллярный канал t₁ и на выходе t₂, то давление насыщенного пара растворителя на выходе из канала можно определить по формуле

P₂= Р₁ давление парогазовой смеси на входе в канал.

При капиллярной конденсации за счет снижения температуры происходит уменьшение концентрации паров растворителя, снижение плотности и давления Р₂. Снижение плотности парогазовой смеси приводит к снижению вязкости потока. В связи с этим давление подачи парогазовой смеси и поперечные размеры капиллярного канала подбирают из условия эффективной очистки выбросов от паров растворителя до безопасных концентраций для окружающей среды.

В таблице представлен пример по очистке выбросов от паров хладона 113 при пропускании через фитильные теплообменники с температурой ступенчатого охлаждения соответственно 0,5-0, 0- (- 10)^оС, 10- (- 20)^оС, (- 20)- (- 34,5)^оС. Температура кристаллизации хладона 113 -35^оС.

Предложенный способ позволяет произвести очистку парогазовой смеси от паров растворителя до требуемых ПДК при снижении энергетических затрат в 1,5-2 раза по сравнению с существующими.

Движение жидкой фазы по поперечным каналам фитильного теплообменника может происходить за счет концентрационного перепада, перепада давления и капиллярного напора, который может быть определен по формуле

P= cos + где краевой угол смачивания, образованный плоской поверхностью твердого тела и плоскостью, касательной к поверхности жидкости в точке границы смачивания;

поверхностное натяжение;

R₂ > R₁ соответственно радиусы кривизны второго и первого мениска в плоскости, перпендикулярной сечению канала.