ПЕННЫЙ МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ
FOAM MASS EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к технике мокрой очистки газов и может быть использовано в устройствах для проведения тепло-массообменных процессов, например в пенных скрубберах, применяемых для очистки газов в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, металлургической и других отраслях промышленности.
Известна конструкция аппарата, в котором с целью увеличения поверхности контакта газа и жидкости, а также снижения удельного гидравлического сопротивления аппарата использован дозатор пены, установленный между тарелкой и стабилизатором пены и выполненный в виде многослойной сетки (авторское свидетельство СССР №590002, кл. В01В 27/04, опубл. 01.02.78.).
Недостатком такого пенного аппарата является то, что его нельзя использовать для очистки газов, загрязненных примесями, склонными к образованию отложений на стенке корпуса и на нижней сетке дозатора, так как при этом возникает необходимость остановки технологического процесса для очистки поверхностей стенки и нижней сетки, что приводит к нарушению гидродинамического режима и к снижению устойчивости пенного слоя.
Известен пенный массообменный аппарат, содержащий вертикальный корпус, патрубки для подачи и вывода газа, сборник очищающей жидкости, размещенный в нижней части корпуса, патрубки подачи жидкости и ее слива, а также газораспределительное контактное устройство, выполненное в виде абсорбционной тарелки, включающей одну или несколько сеток, причем патрубок подачи газа выполнен проходящим сквозь стенку корпуса, а выход патрубка заглублен ниже контактного устройства в подсеточное пространство (патент РФ №2165283, кл. B01D 3/28, 47/02, опубл. 20.02.2001).
Недостатками известного аппарата являются: неравномерность прохождения очищаемого газа через сетки ввиду подачи газа в подсеточное пространство по единому патрубку сквозь стенку корпуса, что вызвано требованием компактности аппарата, а также неравномерность распределения на нижней сетке очищающей жидкости, захваченной из сборника ее, газовым потоком в связи с падением в подсеточном пространстве скорости газового потока, выходящего из патрубка подачи газа, и резкой смены направления его движения под действием вентилятора. Указанные недостатки конструкции аппарата приводят к снижению эффективности его работы.
Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату является конструкция пенного массообменного аппарата, содержащего вертикальный корпус, патрубки для подачи и вывода газа, сборник очищающей жидкости, размещенный в нижней части корпуса, газораспределительное контактное устройство, выполненное в виде абсорбционной тарелки, включающей одну или несколько сеток, причем патрубок для подачи неочищенного газа выполнен проходящим сквозь стенку корпуса в нижнюю зону подсеточного пространства, в котором размещен струйный фильтр, включающий распылитель форсуночного типа, установленный по оси корпуса аппарата с выходом очищающей жидкости в виде капельных струй, направленных в разные стороны по окружности к стенке корпуса, и патрубки для подачи очищающей жидкости в распылитель и на сетку (патент РФ №2294790, кл. B01D 47/04 - прототип). При двухсеточном варианте исполнения абсорбционной тарелки предусмотрена возможность использования сеток провального и/или переливного типа.
При работе такого аппарата неочищенный газ, поступая под действием вентилятора в подсеточное пространство, взаимодействует с капельными струями очищающей жидкости, создаваемыми распылителем, а также с ее мелкодисперсной фракцией, дополнительно возникающей при ударе капельных струй о стенку корпуса. Таким образом подсеточное пространство заполняется газо-жидкостным завихренным осесимметричным потоком, с образованием струйного фильтра, где происходит предварительная очистка газа от вредных примесей. При этом остальная часть газового потока, захватывая мелкодисперсную фракцию, подается в приосевую зону к абсорбционной тарелке, позволяя более равномерно распределить газо-жидкостный поток по поверхности сетки абсорбционной тарелки, что предполагает повышение эффективности основной очистки газа от вредных примесей, происходящей в пенном слое, с частичным улавливанием им капель очищающей жидкости.
Однако в такой конструкции аппарата совместная работа струйного фильтра и пенного слоя является недостаточно эффективной потому, что в ней струйный фильтр работает по принципу реактора перемешивания газа, в котором возникают обратные вихри, выводящие из газового потока часть капельных струй, в том числе и мелкодисперсную фракцию очищающей жидкости, в нижнюю зону подсеточного пространства, что отрицательно влияет на устойчивость газового потока, проходящего через струйный фильтр в направлении сетки абсорбционной тарелки, и на равномерность высоты слоя пены на сетке, ограничивая эффективность очистки газа в пенном слое. Этот недостаток конструкции усиливается в случае использования в аппарате абсорбционной тарелки с сетками провального типа, при котором возможно стекание жидкости из пенного слоя в объем подсеточного пространства, где расположен струйный фильтр. При этом хаотичное перекрытие ею капельных струй очищающей жидкости, образуемых распылителем, с укорачиванием их действия, приводит к снижению эффективности очистки газа не только в струйном фильтре, но и, как следствие, и в пенном слое.
Кроме того, в связи с недостаточно высокой эффективностью очистки газа в струйном фильтре, конструкция прототипа не обеспечивает надежность работы аппарата при очистке газов, содержащих примеси, включающие мелкодисперсную пыль, склонную, при увлажнении ее распыленной очищающей жидкостью, к образованию отложений на стенке корпуса и сетках абсорбционной тарелки, приводящее к уменьшению площади свободного сечения пространства движения газового потока и увеличению его скорости, что вызывает нарушение устойчивости пенного слоя на сетках абсорбционной тарелки и появление проскоков газового потока. С другой стороны не исключена возможность полного перекрытия газохода.
Кроме этого, такая конструкция пенного массообменного аппарата не позволяет применять ее для очистки больших объемов газа, в частности дымовых газов, ввиду возникающего большого сопротивления пенного слоя сеточного участка аппарата движущемуся газовому потоку, особенно в случае применения нескольких сеток.
Задачей изобретения является создание новой конструкции пенного массообменного аппарата, который обеспечивает повышение эффективности очистки газа и надежности его работы в широком диапазоне объемов подаваемого газа, в том числе при наличии в нем мелкодисперной пыли.
Решение поставленной задачи достигается при создании пенного массообменного аппарата, содержащего вертикальный корпус цилиндрообразной формы, патрубки для подачи и вывода газа, сборник очищающей жидкости, размещенный в нижней части корпуса, газораспределительное контактное устройство, выполненное в виде абсорбционной тарелки, включающей одну или несколько сеток, причем патрубок для подачи неочищенного газа выполнен проходящим сквозь стенку корпуса в нижнюю зону подсеточного пространства, в котором размещен струйный фильтр, включающий распылитель форсуночного типа, установленный по оси корпуса аппарата, с выходом очищающей жидкости в виде капельных струй, направленных в разные стороны по окружности к стенке корпуса, и патрубки для подачи очищающей жидкости в распылитель и на сетку абсорбционной тарелки, в котором, согласно изобретению, между абсорбционной тарелкой и распылителем размещена зонтичная крышка, установленная с осесимметричным зазором относительно стенки корпуса, а ниже распылителя смонтирована на стенке корпуса диафрагма с центральным осевым отверстием, расположенная выше патрубка для подачи неочищенного газа.
Включение в состав заявляемой конструкции пенного массообменного аппарата зонтичной крышки, размещенной между абсорбционной тарелкой и распылителем и установленной с осесимметричным зазором относительно стенки корпуса, позволяет защитить струйный фильтр аппарата от жидкости, стекающей из пенного слоя, предотвратив укорачивание капельных струй по всей окружности, и сохранить устойчивое радиальное направление газо-жидкостного потока в сторону стенки корпуса аппарата, а также осесимметричного зазора между нею и зонтичной крышкой, повысив эффективность очистки в струйном фильтре и устойчивость пенного слоя, влияющей на качество очистки газа в нем. При этом наибольший защитный эффект от применения зонтичной крышки достигается в аппаратах, использующих сетки провального типа.
Введение в состав конструкции аппарата двух новых элементов, а именно: зонтичной крышки и диафрагмы с центральным осевым отверстием, расположенной выше патрубка для подачи неочищенного газа в нижнюю зону подсеточного пространства, ограничивающих область действия капельных струй распылителя, обеспечивает работу струйного фильтра в режиме прямоточного реактора вытеснения, в котором отсутствуют струйные потери, вызванные образованием обратных вихрей при перемешивании потоков жидкости и газа, как имеет место в конструкции прототипа, что дает возможность значительно повысить эффективность очистки газа в нем.
Кроме того, введение в конструкцию аппарата зонтичной крышки и диафрагмы позволяет получить дополнительное количество мелкодисперсных капель очищающей жидкости за счет предотвращения их вывода из газового потока струйного фильтра вихрем в сборник очищающей жидкости и увеличения площади ударного контакта капельных струй с поверхностями стенки корпуса, зонтичной крышки и диафрагмы. Поэтому достигается более высокая степень заполнения этого ограниченного объема подсеточного пространства очищающей средой, воздействующей на газ, поступающий в него через центральное осевое отверстие диафрагмы. В результате обеспечивается высокая эффективность предварительной очистки газа в струйном фильтре аппарата, повышение устойчивости газового потока, насыщенного мелкодисперсными каплями очищающей жидкости, поступающего в подсеточную зону абсорбционной тарелки. Увеличенный вынос мелкодисперсных капель очищающей жидкости обеспечивает также повышение устойчивости пенного слоя и предотвращение проскоков газа через него. Такая согласованность совместной работы струйного фильтра и пенного слоя в итоге предопределяет значительное повышение эффективности очистки газа в целом. При этом эффективная очистка газа в ряде случаев может быть достигнута даже при использовании в конструкции аппарата односеточной абсорбционной тарелки.
Заявляемая конструкция обеспечивает надежную работу в случае очистки газа, содержащего загрязнения, включающие мелкодисперсную пыль, так как капельные струи распылителя, действующие в объеме, ограниченном поверхностями стенки корпуса, зонтичной крышки и диафрагмы, полностью заполняя его, захватывают практически все пылевые частицы, радиально направляются с ними в сторону стенки корпуса и смывают их по ней в сборник очищающей жидкости.
Наличие в заявляемой конструкции диафрагмы и зонтичной крышки оригинальной конструкции обеспечивает значительное увеличение эжекции газа и возникновение отрицательного перепада давления газа на участке от диафрагмы и до сетки с пенным слоем, что приводит к снижению сопротивления аппарата газовому потоку, а следовательно к расширению возможности конструкции по увеличению объема подаваемого на очистку газа, в частности дымовых газов, при использовании вентилятора, создающего небольшой перепад давления газа.
Заявляемый пенный массообменный аппарат изображен на чертеже, на котором на Фиг. представлен общий вид пенного массообменного аппарата в разрезе.
Пенный массообменный аппарат содержит вертикальный корпус 1 цилиндрообразной формы, патрубки 2 и 3 для подачи и вывода газа, сборник 4 очищающей жидкости, размещенный в нижней части корпуса 1, газораспределительное контактное устройство, выполненное в виде абсорбционной тарелки 5, включающей одну или несколько сеток, причем патрубок 2 для подачи неочищенного газа выполнен проходящим сквозь стенку корпуса 1 в нижнюю зону подсеточного пространства, в котором размещен струйный фильтр, включающий распылитель 6 форсуночного типа, установленный по оси корпуса 1 аппарата, с выходом очищающей жидкости в виде капельных струй, направленных во все стороны по окружности к стенке корпуса 1. Для подачи очищающей жидкости в распылитель 6 предусмотрен патрубок 7, а на сетку абсорбционной тарелки 5 - патрубок 8. Между абсорбционной тарелкой 5 и распылителем 6 размещена зонтичная крышка 9, установленная с осесимметричным зазором 10 относительно стенки корпуса 1, а ниже распылителя 6 смонтирована на стенке корпуса 1 диафрагма 11 с центральным осевым отверстием 12, расположенная выше патрубка 2 для подачи неочищенного газа. Кроме того в конструкцию аппарата включены: вентилятор 13 для подачи неочищенного газа внутрь корпуса по патрубку 2, насос 14, направляющий очищающую жидкость по патрубку 7 к распылителю 6 и по патрубку 8 на поверхность сетки абсорбционной тарелки 5, а также каплеуловитель 15, установленный в верхней части корпуса 1 и сообщающийся с патрубком 3 для вывода очищенного газа.
Пенный массообменный аппарат работает следующим образом.
Неочищенный газ под действием вентилятора 13 по патрубку 2 поступает в нижнюю зону корпуса 1 аппарата, проходит через центральное осевое отверстие 12 диафрагмы 11 и, двигаясь радиально в объеме подсеточного пространства, ограниченного поверхностями стенки корпуса 1, диафрагмы 11 и зонтичной крышки 9, направляется в сторону осесимметричного зазора 10, образованного зонтичной крышкой 9 и стенкой корпуса 1. При этом весь упомянутый выше ограниченный объем, будучи полностью заполненным капельными струями очищающей жидкости, выходящими из распылителя 6 и направленными во все стороны по окружности к стенке корпуса 1, образует струйный фильтр, действующий по принципу прямоточного реактора вытеснения, в пространстве которого производится эффективная предварительная очистка проходящего газа, заключающаяся в том, что значительное количество частиц загрязнений, находящихся в газовом потоке, активно захватывается струйными каплями, выносится на внутреннюю поверхность стенки корпуса 1 и затем смывается ими в сборник 4 очищающей жидкости. В то же время происходит насыщение газового потока мелкодисперсными каплями очищающей жидкости, интенсивно образующимися при ударе струй распылителя о поверхности стенки корпуса 1, диафрагмы 11 и зонтичной крышки 9. Поэтому через кольцевой зазор 10 зонтичной крышки 9 газ выходит уже в составе сформированного газожидкостного потока, содержащего большое количество мелкодисперсных капель очищающей жидкости, который направляется в подсеточную зону абсорбционной тарелки 5, равномерно распределяясь по нижней поверхности ее сетки. Затем газ вместе с каплями очищающей жидкости проходит через сетку абсорбционной тарелки 5, которые, воздействуя на покрывающую верхнюю поверхность сетки очищающую жидкость, предварительно поданную на нее из сборника 4 очищающей жидкости по патрубку 8, образуют устойчивый пенный слой на поверхности сетки абсорбционной тарелки 5. Загрязнения, оставшиеся в газе после предварительной очистки в струйном фильтре, задерживаются пенным слоем, а затем стекают в сборник 4 очищающей жидкости. Затем газ проходит через каплеуловитель 15, в котором освобождается от капель очищающей жидкости, не осевших в пенном слое, и окончательно очищенным выводится через патрубок 3.
В случае применения в заявляемой конструкции абсорбционной тарелки 5, включающей две и более сеток, для последующего образования на них пенного слоя подача очищающей жидкости по патрубку 8 производится на верхнюю сетку тарелки, с которой она стекает на ниже расположенные сетки. При этом газовый поток, следуя снизу вверх, последовательно проходит через образующийся при этом пенный слой каждой из них, а затем также через каплеуловитель 15 очищенный газ выводится по патрубку 3.
Заявляемая конструкция пенного массообменного аппарата характеризуется высокой согласованностью совместной работы струйного фильтра и пенного слоя абсорбционной тарелки, при которой струйный фильтр не только обеспечивает высокую эффективность предварительной очистки проходящего через него газа, но и насыщает его большим количеством мелкодисперсных капель, что затем позволяет дополнительно повысить эффективность очистки газа в пенном слое сетки абсорбционной тарелки и снизить сопротивление аппарата в целом. При этом достигается высокая надежность работы пенного массообменного аппарата, в том числе и при очистке газа, содержащего мелкодисперсную пыль, в широком диапазоне объемов подаваемого газа, в частности дымовых газов, с использованием вентилятора, создающего небольшой перепад давления газа, что в итоге предопределяет преимущество заявляемой конструкции пенного массообменного аппарата по сравнению с прототипом.