тепло- и массообменный аппарат

Формула изобретения

1. Тепло- и массообменный аппарат, содержащий корпус, состоящий из цилиндрической части и двух фланцев, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный набором закрепленных в нем разделительных кольцевых перегородок, образующих секции, в каждой из которых на вращающемся валу установлен поперечный сплошной диск, к каждому из которых по бокам прикреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленные с зазором относительно корпуса, вала, друг друга и разделительных кольцевых перегородок и частично погруженные в жидкость, формирующие зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потока газа, отличающийся тем, что между крайними разделительными кольцевыми перегородками набора, внутри цилиндрической части корпуса установлены цилиндрические вставки, между которыми размещены остальные разделительные кольцевые перегородки набора, образующие совместно секции, причем цилиндрические вставки и кольцевые перегородки скреплены между собой и, как минимум, одна крайняя разделительная кольцевая перегородка набора скреплена с корпусом.

2. Тепло- и массообменный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические вставки и разделительные кольцевые перегородки скреплены продольными шпильками, закрепленными в крайних разделительных кольцевых перегородках набора.

3. Тепло- и массообменный аппарат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вставки выполнены в виде цилиндрических обечаек.

4. Тепло- и массообменный аппарат по п. 1 или 3, отличающийся тем, что цилиндрические вставки и разделительные кольцевые перегородки скреплены продольными шпильками, закрепленными с одной стороны в крайней разделительной кольцевой перегородке набора, а с другой - во фланце корпуса.

5. Тепло- и массообменный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в нижней части разделительных кольцевых перегородок выполнены отверстия.

6. Тепло- и массообменный аппарат по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в нижней части цилиндрических вставок выполнены отверстия, а по внешнему диаметру разделительных кольцевых перегородок установлены уплотнения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к процессам и аппаратам химического машиностроения и может быть использовано в энергетической, нефтегазовой, химической, пищевой к других отраслях промышленности для мокрой очистки газов, абсорбции, ректификации (перегонки) и т.п. процессам в системе газ-жидкость.

Из уровня техники широко известно устройство для проведения тепло- и массообменного процесса путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, протекающего на поверхности капель или пленки жидкости в полых (безнасадочных) тарельчатых (каскадных), насадочных пленочных колоннах (см. А. И. Пановский, П.И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. M.: Химия, 1972, с. 322, 323, 329-331, 373).

При этом интенсивность тепло- и массообмена определяется скоростями движения потоков газа и жидкости и в значительной мере зависит от величины и формы поверхности контактирования, однако увеличение (развитие) последней приводит к росту гидравлического сопротивления, уносу капель жидкости, усложнению конструкции и габаритов тепло- и массообменных аппаратов.

Близким к изобретению является устройство для проведения процессов тепло- и массообмена путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков, частично погруженных в жидкость (см. Авт. св. СССР 223766, кл. В 01 D 45/10, 1968 г.).

Основным недостатком данного устройства является то, что интенсивность контактного взаимодействия (газового потока с жидкостью - пленкой на поверхности дисков) определяется скоростью газового потока и частотой вращения дисков, увеличение которых ограничено возможностью срыва пленки и уносом капель.

Известны тепло-массообменные аппараты, содержащие корпус с газовым каналом и патрубками для подвода и отвода газа. нижняя часть которого заполнена жидкостью, и установленный в корпусе горизонтальный вал с дисками, частично погруженными в жидкость, который снабжен приводом для вращения (см. Авт. СССР 262096, кл В 01 J 8/10, 1970 г.; Авт. св. СССР 971437, кл. В 01 D 45/18, 1981 г).

При этом выполнение дисков в виде сеток или лопастей обеспечивает осевое течение газового потока с достаточно большой скоростью, но не дает возможности существенно развивать поверхность контакта фаз.

Известен также тепломасообменный аппарат, содержащий корпус с газовым каналом и патрубками для подвода и отвода газа, в нижней части которого расположена ванна с жидкостью, и вращающийся горизонтальный вал с приводом, снабженный дисками, частично погруженными а жидкость (см. Авт. св. СССР 223766, кл. В 01 D 45/10, 1968 г.).

Вал в данном аппарате установлен поперек газового канала, т.е. в плоскости, направленной поперек газового потока, что увеличивает поверхность контакта газа с жидкостью и формирует продольное обтекание дисков с низким гидравлическим сопротивлением, но ограничивает функциональные возможности устройства, т. к. не позволяет эффективно использовать его для массообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с жидкостью.

Известен также телло-массообменный аппарат (см. патент РФ 2152245, кл. В 01 D 53/18. 47/18 от 29.06.98 г.), содержащий цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней -патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный вращающимся валом с установленными на нем соосно корпусу и валу и с возможностью совместного вращения с ним последовательно чередующимися поперечными сплошными дисками и разделительными кольцевыми перегородками с установленными по их внешнему диаметру (газодинамическими, гидродинамическими или контактными) уплотнениями, между которыми установлены пакеты, состоящие из кольцевых контактных дисков, установленными с зазором относительно корпуса, вала и друг друга и частично догруженными в жидкость и которые совместно формируют зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа. При этом процесс тепло- и массообмена проводят в условиях безотрывного течения пленки жидкости при контактном взаимодействии потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков. Данный аппарат технологичен, обладает высокой эффективностью, малыми габаритами и низкой стоимостью.

Однако, как показала практика, область использования таких аппаратов несколько ограничена по производительности, что вызвано сложностью обработки удлиненных цилиндрических поверхностей большего диаметра (более 400 мм). Последнее обстоятельство (применительно к высокопроизводительным ректификационным аппаратам) может приводить и к снижению качества разгонки по фракциям.

Наиболее близким к изобретению является механический пленочный тепломассообменный аппарат (см. В. М. Рамм. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976, с. 321-322), содержащий цилиндрический корпус, снабженный образующими секции разделительными кольцевыми перегородками, закрепленными в корпусе. В каждой секции на валу закреплен сплошной диск, к каждому из которых по бокам прикреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленных с зазором относительно корпуса, вала, друг друга и разделительных кольцевых перегородок. В верхней части корпуса установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости. Вал снабжен приводом для вращения. Контактные диски частично погружены в жидкость. Такое устройство аппарата формирует в верхней части корпуса зигзагообразный радиально-осевой газовый канал, а в нижней части - жидкостной канал, что, в принципе, позволяет эффективно использовать его для тепломассообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с пленкой жидкости.

Однако в таких аппаратах возникает противоречие между эффективностью организации процесса тепломассообмена и крайней сложностью его конструктивной реализации.

Так, с точки зрения повышения эффективности процесса тепломассообмена в аппаратах данного типа необходимо обеспечение минимально возможных осевых зазоров между крайними (в пакетах) кольцевыми контактными дисками и не участвующими в процессе тепло- и массообмена разделительными кольцевыми перегородками, т. к. последние закреплены в корпусе и их поверхность не покрыта пленкой жидкости. Из практики известно, что величина этих зазоров должна быть по крайней мере не более половины величины оптимальных зазоров между кольцевыми контактными дисками. Однако, с точки зрения технологичности изготовления, сборки и эксплуатации таких аппаратов, как показывает практика, при установке всего 10-16 разделительных кольцевых перегородок эти зазоры, как правило, уже более чем в 3 раза превышают их оптимальную величину, что, в свою очередь, приводит к перетоку до 50% газа по этим "технологическим зазорам", минуя процесс тепло- и массообмена на контактных дисках и, как следствие, - ведет к снижению эффективности данных аппаратов.

Однако главными недостатками таких аппаратов являются их конструктивная сложность и низкая технологичность, вызванные проблемами обеспечения высокой точности при изготовлении и сборке корпуса с закрепленными в нем разделительными кольцевыми перегородками. Комплекс этих обстоятельств приводит к резкому росту их стоимости (на 60-200%), габаритов (осевых более чем на 40-60%), сложности в эксплуатации, снижению эффективности и, как следствие, потере их рентабельности и конкурентоспособности.

Изобретение направлено на создание высокоэффективного, дешевого контактного тепломассообменного аппарата с расширенным диапазоном по производительности и широкими функциональными возможностями как за счет резкого повышения его технологичности, так и за счет уменьшения перетекания газа по "технологическим" зазорам и, как следствие, увеличения эффективного контактного взаимодействия газа с пленкой жидкости, т.е. организации более интенсивного и стабильного процесса тепломассообмена при контактном взаимодействии газа с пленкой жидкости.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в тепломассообменном аппарате, содержащем корпус, состоящий из цилиндрической части и двух фланцев, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный набором закрепленных в нем разделительных кольцевых перегородок, образующих секции, в каждой из которых на вращающемся валу установлен поперечный сплошной диск, к каждому из которых по бокам прикреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленные с зазором относительно корпуса, вала, друг друга и разделительных кольцевых перегородок, частично погруженные в жидкость, которые совместно формируют зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа, согласно изобретению между крайними разделительными кольцевыми перегородками набора, внутри цилиндрической части, установлены цилиндрические вставки, между которыми размещены остальные разделительные кольцевые перегородки набора, образующие совместно секции, причем цилиндрические вставки и кольцевые перегородки скреплены между собой и, как минимум, одна крайняя кольцевая перегородка набора скреплена с корпусом.

На чертежах схематично представлен общий вид тепломассообменного аппарата.

Тепломассообменный аппарат (см. фиг. 1-2) содержит цилиндрический корпус (состоящий из цилиндрической части 1 и двух фланцев 2, 3), в котором с возможностью вращения установлен горизонтальный вал 4. Внутри цилиндрической части корпуса 1 расположен набор 5 разделительных кольцевых перегородок 6. Между крайними разделительными кольцевыми перегородками 6 установлены вставки 7, которые могут быть выполнены, например, в виде цилиндрических обечаек. Остальные разделительные кольцевые перегородки 6 набора 5 размещены между вставками 7 и образуют секции 8. Вставки 7 и разделительные кольцевые перегородки 6 скреплены между собой, например, при помощи стягивания продольными шпильками 9, закрепленными в крайних разделительных кольцевых перегородках 6 набора 5, а одна из крайних разделительных кольцевых перегородок 6 закреплена в корпусе аппарата между его цилиндрической частью 1 и одним из фланцев - на фиг.1, 2 поз. 3. В образованных перегородками 6 секциях 8 установлены поперечные сплошные диски 10, к которым по бокам прикреплены пакеты 11, набранные из кольцевых контактных дисков 12. Поперечные сплошные диски 10 закреплены на валу 4, а кольцевые контактные диски 12 установлены с зазором относительно вставок 7, вала 4, друг друга и разделительных кольцевых перегородок 6. В верхней части корпуса образован продольный, относительно вала 4, газовый канал 13 с патрубками 14 и 15 для подвода и отвода газа, а в нижней части корпуса образован жидкостной канал 16 с входным и выходным патрубками 17 и 18 для подвода и отвода жидкости, который заполнен жидкостью.

Газовый канал 13 образован зазорами между цилиндрическими вставками 7 (в виде обечаек), поперечными сплошными дисками 10, кольцевыми контактными дисками 12 и разделительными кольцевыми перегородками 6, формирующими многоходовое зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потока газа. Аналогично с нижней части корпуса образован жидкостной канал 16. Вращение горизонтального вала 4 со сплошными дисками 10, кольцевыми контактными дисками 12 обеспечивается приводом (не показано).

Для обеспечения более интенсивного потока жидкости в жидкостном канале тепломассообменного аппарата и, соответственно, получения более эффективного процесса тепломассообмена, в нижней, погруженной в жидкость, части разделительных кольцевых перегородок 6 выполнены отверстия (фиг.3).

На фиг. 1 схематично представлен общий вид тепломассообменного аппарата который, как правило, используется как ректификационный и десорбционный. т. е. при относительно высоких давлениях. В этом случае для обеспечения прочности его корпуса используются полусферические фланцы 2, 3. Если же тепломассообменный аппарат используется в системах абсорбции, т. е. при работе в областях низких давлений, то фланцы его корпуса можно сделать плоскими и, следовательно, на одном из них закрепить шпильки 9, которые стягивают вставки 7 и разделительные кольцевые перегородки 6 набора 5 (см. фиг.4).

На фиг. 5 представлен вариант исполнения тепломассообменного аппарата в котором в нижней, погруженной в жидкость, части цилиндрических вставок 7 выполнены отверстия, а по внешнему диаметру разделительных кольцевых перегородок 6 установлены уплотнения 19. В данном исполнении реализуется получение изолированных друг от друга секций 8 тепломассообменного аппарата, с возможностью отвода из этих секций жидкости через дополнительные патрубки 20, т.е. для разделения жидкости на фракции при перегонке нефтепродуктов или ректификации в системе этанол-вода.

Процесс тепло-и массообмена осуществляется следующим образом.

Поток газа поступает в газовый канал 13 через патрубок 14, проходит по полости первой (по ходу движения газа) секции 8, далее по радиальным зазорам между (поперечными) перегородками первого пакета вращающихся кольцевых контактных дисков 12 и дисков 10, вступая в контактное взаимодействие с потоком жидкости, стекающей в виде пленки с поверхности вращающихся дисков 10, 12, которые при вращении частично погружаются в смачивающую их жидкость из жидкостного канала 16, далее газ разворачивается на 180^o и поступает в радиальные зазоры между перегородками второго пакета вращающихся кольцевых контактных дисков и т.д., до его выхода из аппарата через патрубок 15.

При этом контактное взаимодействие фаз происходит при радиальном течении потока газа, который, протекая в целом по аппарату в осевом направлении, при последовательном переходе из полостей одного пакета радиальных зазоров - хода газового канала 13 через полость (очередной по ходу газа) секции 8 в следующую, меняет свое (радиальное) направление движения на противоположное, обтекая контактные элементы (вращающиеся диски 10, 12) - с обеих сторон, т. е. совершает в пределах газового канала 13 многоходовое, зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное движение.

Безотрывное течение пленки жидкости по поверхности вращающихся дисков 9, 12 и реализация центробежного сепарирующего эффекта за счет поворота потока газа исключает возможность возникновения каплеуноса, что приводит к уменьшению габаритов аппарата, поскольку при этом отпадает необходимость в создании значительного сепарационного пространства. Кроме того, наличие конвективных потоков жидкости в стекающей пленке, возникающих при определенной частоте вращения дисков 10 в условиях достаточно сложной перекрестно-смешанной организации относительного движения потоков фаз, в сочетании с допустимым диапазоном скоростей потока газа в зоне контактного взаимодействия фаз системы газ-жидкость (т. е. при радиальном течении в оптимальных зазорах между поперечными сплошными дисками 10, кольцевыми контактными дисками 12 и разделительными кольцевыми перегородками 6), обуславливает повышение коэффициентов теплопередачи и массопередачи при переходе вещества через поверхность контакта фаз в различных технологических процессах.

Установка разделительных кольцевых перегородок 6 между вставок 7 позволяет не только резко упростить конструкцию тепломассообменного аппарата, обеспечить высокую технологичность сборки и разборки без специальной высокоточной оснастки и, следовательно, повысить эксплуатационные характеристики, резко снизить стоимость аппарата, но и получить высокую эффективность процесса тепломассообмена в аппарате за счет обеспечения требуемых оптимальных зазоров между кольцевыми контактными дисками и разделительными кольцевыми перегородками. Достигается это тем, что цилиндрические вставки, имеющие относительно небольшие линейные размеры, проще изготовить с необходимой точностью, что соответственно позволяет, при сборке секций с размещенными в них пакетами кольцевых контактных дисков (вне цилиндрического корпуса), более просто и точно установить требуемые оптимальные зазоры между дисками и перегородками (с возможностью объективного инструментального контроля зазоров).

Заявленное конструктивное выполнение тепломассообменных аппаратов обеспечивает:

- уменьшение более чем в 5 раз перетекания газа по технологическим зазорам между секциями (в зоне разделительных кольцевых перегородок);

- существенно упрощает конструкцию аппаратов, уменьшает на 30-80% их длину и массу, на 60-200% - стоимость их изготовления.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет обеспечить организацию более интенсивных процессов тепло- и массообмена и, как следствие, рост удельной производительности аппаратов данного типа, а в совокупности обеспечивает существенно более высокую эффективность проведения различных процессов тепло- и массообмена в широком диапазоне сочетания режимных параметров и теплофизических свойств взаимодействующих двух разнофазных сред (газа и жидкости) при безотрывном течении пленки жидкости (абсорбция, ректификация, газоочистка) в горизонтальных аппаратах с вращающимися дисками, которые обуславливают минимальные габариты аппарата и стоимость, позволяет использовать их в технологических схемах с разнообразными жидкими и газообразными веществами, например для очистки воздуха от твердых частиц и примесей, ректификации нефтегазопродуктов, абсорбции паров углеводородов (фенола, формальдегида, бензина и т.п.) из воздуха, перегонки в системе зтанол-вода и т. п., вместо громоздких колонн с высоким гидравлическим сопротивлением, в высоко рентабельном режиме работы.