вихревой многоступенчатый тепломассообменный аппарат

Формула изобретения

1. Вихревой многоступенчатый тепломассообменный аппарат, включающий корпус с контактными тарелками, на которых установлены контактные элементы, выполненные в виде патрубков с завихрителями внутри, отличающийся тем, что завихритель содержит глухое верхнее основание с закрепленным на нем коаксиально переливным патрубком и гидрозатвором и снабжен газовым патрубком восходящего потока, причем отношение диаметра газового патрубка к диаметру контактного элемента составляет 0,3-0,5, а высота контактного элемента составляет 0,7-1,0 расстояния между контактными тарелками.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что контактный элемент выполнен в виде навитой трубы, при этом в нижней части контактного элемента витки выполнены с зазором и площадью образующихся щелей в 1,5-3,0 раза больше площади поперечного сечения газового патрубка.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что контактный элемент выполнен в виде оребренного внутри стакана с рубашкой, сечение которого может быть цилиндрическим, прямоугольным, овальным, многогранным, причем между контактным элементом и нижней тарелкой установлен зазор, величина которого составляет 0,1-0,3 диаметра контактного элемента.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что завихритель выполнен в виде набора пластин, причем угол наклона пластин к касательной составляет 0-90.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химической технологии, более конкретно для абсорбции в производстве кальцинированной соды, и может быть реализовано в химической и нефтехимической промышленности.

Известен вихревой тепломассообменный аппарат, включающий корпус с контактной тарелкой, на которой установлены контактные элементы, выполненные в виде навитой трубы с завихрителями внутри, полости которого сообщаются с теплоносителем [авт. свид. СССР №1655532, 1991]. Это техническое решение является наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности признаков и достигаемому техническому эффекту, и потому выбрано в качестве прототипа. Недостатками данного известного технического решения является сравнительно малая поверхность теплопередачи и высокое гидравлическое сопротивление при больших нагрузках по жидкой и газовой фазе.

Целью настоящего изобретения является снижение гидравлического сопротивления и интенсификация тепломассообмена при больших нагрузках по жидкой и газовой фазе.

Декларируемая цель достигается тем, что в вихревом многоступенчатом тепломассообменном аппарате, включающем корпус с контактной тарелкой, на которой установлены контактные элементы, выполненные в виде навитой трубы с завихрителями внутри, завихритель содержит глухое верхнее основание с закрепленным на нем коаксиально переливным патрубком с гидрозатвором и снабжен газовым патрубком восходящего потока. При этом в нижней части контактного элемента витки выполнены с зазором и площадь образующихся щелей в 1,5-3,0 раза больше площади поперечного сечения газового патрубка, отношение диаметра газового патрубка к диаметру контактного элемента лежит в интервале 0,3-0,5, а высота контактного патрубка составляет 0,7-1,0 расстояния между тарелками. Контактный патрубок выполняется в виде оребренного внутри стакана с рубашкой, сечение которого может быть цилиндрическим, прямоугольным, овальным, многогранным с зазором между тарелкой 0,1-0,3 диаметра контактного элемента, завихритель же представляет собой набор пластин с углом наклона к касательной от 0 до 90. В результате использования такого аппарата гидравлическое сопротивление снижается в 1,5...2,5 раз, а поверхность теплопередачи увеличивается в 1,5...2 раза. Следует особо отметить в этой связи, что вышеуказанные цифровые интервалы параметров заявляемого устройства являются оптимальными и при выходе за них технический эффект, указанный в декларируемой цели изобретения, либо в той или иной степени снижается, либо не достигается вовсе.

В литературе до настоящего времени не описывался вихревой многоступенчатый тепломассообменный аппарат при больших нагрузках по жидкой и газовой фазе, где в качестве конструктивных элементов использовались бы контактные элементы с завихрителями внутри, и где завихритель, содержащий глухое верхнее основание с закрепленным на нем коаксиально переливным патрубком с гидрозатвором, был бы снабжен газовым патрубком восходящего потока с указанными выше характеристиками. Только что сказанное позволяет сделать заключение, что заявляемому техническому решению присущ первый критериальный признак изобретения в рамках Патентного Закона РФ - новизна. С другой стороны, знание характеристик устройства - прототипа и вносимых в него изменений (а именно, выполненных в виде навитой трубы контактных элементов с завихрителями внутри, причем завихритель содержит глухое верхнее основание с закрепленным на нем коаксиально переливным патрубком с гидрозатвором и снабжен газовым патрубком восходящего потока) не позволяет предсказать наблюдаемое существенное снижение гидравлического сопротивления, равно как и интенсификации тепломассообмена при больших нагрузках по жидкой и газовой фазе. Поэтому есть все основания утверждать, что заявленный объект не вытекает явным образом из известного на сегодняшний день в данной отрасли техники уровня и, следовательно, ему присущ второй критериальный признак изобретения - изобретательский уровень. И, наконец, узлы и детали заявляемого устройства, отличающие его от устройства - прототипа, без особого труда могут быть изготовлены и сравнительно просто вмонтированы в конструктивные узлы последнего, так что заявляемое устройство может быть собрано и реализовано в промышленности. Поэтому не вызывает сомнения, что заявляемый на предмет изобретения объект соответствует и третьему критериальному признаку изобретения - промышленная применимость.

Заявляемый вихревой многоступенчатый тепломассообменный аппарат в одном из возможных вариантов представлен на фиг.1, в рамках которого контактный элемент выполнен в виде навитой трубы. Здесь же приведен общий вид данного устройства в разрезе вертикальной плоскостью, где оцифрованы следующие узлы и детали: корпус 1 с тарелками 2, 3, на которых расположены контактные элементы 4 в виде навитой трубы и завихрителями 5 с закрепленными на них коаксиально переливными патрубками 7 с гидрозатворами 8, газовыми патрубками восходящего потока 6, патрубков подвода 9 и отвода теплоносителя 10. На фиг.2 представлена конструкция контактного элемента, выполненного в виде стакана с рубашкой с аналогичной оцифровкой деталей, где позицией 11 показаны элементы оребрения внутренней поверхности стакана. На фиг.3 представлено сечение этого контактного элемента горизонтальной плоскостью, где символом обозначен угол наклона пластин к касательной той окружности, относительно которой ориентированы эти пластины.

Заявляемый аппарат работает следующим образом. Абсорбируемый газ поступает под тарелку 3 в газовый патрубок восходящего потока 6 и в тангенциальные сопла завихрителя 5 потока, а жидкость, выполняющая функцию сорбента, поступает на тарелку 2 и через переливные патрубки с гидрозатворами, подается в контактный патрубок 4. Поступающий же в аппарат абсорбируемый газ диспергирует жидкую фазу, придавая последней вращательно-поступательное движение. Образовавшийся газожидкостной поток движется вниз по внутренней стенке контактных патрубков 4, в нижней части которых происходит его сепарация. При этом основная часть жидкостного потока стекает на тарелку 3. Процесс абсорбции аммиака сопровождается выделением значительного количества тепла, и для увеличения ее степени контактный патрубок выполнен в виде навитой трубы с патрубками подвода 9 и отвода 10 хладагента. Такая конструкция патрубка позволяет максимально интенсифицировать процесс массообмена. Жидкость многократно контактирует с газом по всей высоте контактного патрубка, абсорбируется, а затем по переливным патрубкам с гидрозатворами стекает на нижележащие ступени, работа которых аналогична работе описанной ступени.

Используя режим движения газожидкостного потока вниз и выполняя патрубок в виде навитой трубы, можно значительно увеличить контактную поверхность теплообмена, интенсифицировать процесс абсорбции аммиака и в целом снизить гидравлическое сопротивление 1,5...2,5 раз (см. таблицу).

Подобное конструктивное выполнение патрубка позволяет осуществить интенсивную теплопередачу между реагирующими компонентами и теплоносителем. При этом повышается интенсивность тепломассообменного процесса, сопровождающегося выделением (поглощением) тепла при реакции взаимодействия компонентов, благодаря чему интенсифицируются процессы поглощения химических реагентов и увеличивается выход целевого продукта. Использование режима движения газожидкостного потока вниз по внутренним стенкам контактного патрубка позволяет интенсифицировать массообмен, снизить энергозатраты при больших массовых нагрузках по жидкой и газовой фазе. Кроме того, для увеличения поверхности теплообмена при абсорбции аммиака контактный патрубок, изображенный на фиг.2, может быть выполнен в виде оребренного внутри стакана с рубашкой, сечение которого может быть цилиндрическим, прямоугольным, овальным или же многогранным. Именно благодаря такому выполнению патрубка можно максимально увеличить интенсивность теплопередачи, а заодно и повысить эффективность тепломассообмена реагирующих компонентов.

Таким образом, применение предлагаемого аппарата по сравнению с прототипом позволяет интенсифицировать процесс тепломассообмена, значительно снизив при этом энергозатраты в случае больших массовых нагрузках по жидкой и газовой фазе.