ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к массообменным процессам химической технологии и может найти применение в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, в экологических процессах и других отраслях промышленного производства для разделения гомогенных жидко-, газо- и парообразных систем в процессах ректификации, абсорбции, десорбции и использоваться в газожидкостных реакторных процессах.
Известен контактный аппарат, содержащий горизонтальный цилиндрический корпус, расположенный внутри корпуса горизонтальный вал с закрепленными на нем перфорированными дисками, патрубки для подвода и отвода жидкой и газовой фаз [Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976, стр.322, рис.IV-17]
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата отнсится невысокая скорость массообмена из-за малой величины коэффициента массопередачи и малой поверхности контакта фаз, образующейся в виде пленки при вращении дисков, касающихся жидкости, частично заполняющей горизонтальный цилиндрический корпус, и наличие вращающихся частей, усложняющих конструкцию аппарата и вызывающих дополнительный расход энергии.
Известна конструкция контактного аппарата, содержащего корпус, трубу с оросителями, установленную по оси и соединенную с патрубком ввода жидкости, винтовое устройство с лопастями, сепаратор, патрубки ввода и вывода газа и жидкости. Внутренняя поверхность корпуса имеет ребра, а труба с оросителями в ее нижней части снабжена установленными между лопастями винтового устройства козырьками, расположенными напротив ребер, при этом внутренняя поверхность трубы с оросителями сообщена с внутренней полостью винтового устройства. Труба с оросителями выполнена в виде эллипса, лопасти винтового устройства выполнены перфорированными, и винтовое устройство выполнено двухзаходным. [см. а.с. СССР №1214124, кл В01Д 3/32, 47/04]
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится низкая производительность по массопередаче вследствие недостаточно развитой поверхности контакта фаз, создаваемой разбрызгиванием жидкости в виде капель и вспениванием только за счет скорости потока газа или пара при входе в слой жидкости, величина которой всегда будет зависеть от расхода газа или пара. Кроме того, необходимость регулирования в процессе работы аппарата высоты пенного слоя в каждом межвитковом пространстве усложняет обслуживание аппарата.
Наиболее близкой по совокупности признаков и принятой за прототип является конструкция горизонтального массообменного аппарата, содержащего распылительное устройство пульверизационного типа, контактную трубу и сепаратор для отделения пара от жидкости, при этом сепаратор и контактная труба образуют корпус в виде горизонтальной цилиндрической поверхности, а контактная труба выполнена в виде объемной спирали, которая соединена с распылительным устройством и патрубком подвода жидкости. [см. Свидетельство на полезную модель РФ №19267, В01Д 3/32, 2001]
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится то, что в спиралевидной контактной трубе поток пара с каплями жидкости закручивается, и капли под действием центробежной силы осаждаются на ее поверхности, уменьшая тем самым поверхность контакта фаз и образуя пленочное течение на ее поверхности. Негативное проявление этого эффекта возрастает с увеличением скорости пара, что и приводит к недостаточной эффективности массопередачи, снижению производительности аппарата по распределяемому компоненту и сужению диапазона его работы по скорости пара.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение диапазона работы горизонтального массообменного аппарата по скорости пара и интенсификация процесса массопередачи за счет предотвращения коалесценции капель и создания высокой поверхности контакта фаз в дисперсно-капельном и эмульгационном режимах.
Поставленный технический результат достигается тем, что в горизонтальном массообменном аппарате, содержащем распылительное устройство, контактную трубу и сепаратор для отделения пара от жидкости, причем сепаратор и контактная труба образуют корпус в виде горизонтальной цилиндрической поверхности, а контактная труба выполнена в виде объемной спирали, которая соединена с патрубком подвода жидкости, при этом кольцевая труба заполнена высокопроницаемой насадкой в области между патрубком подвода жидкости и сепаратором.
Заполнение кольцевой трубы высокопроницаемой насадкой в области между патрубком и подвода жидкости и сепаратором приводит к появлению фильтрационного парожидкостного потока. При этом в зависимости от соотношения расходов пара и жидкости возможно существование как дисперсно-капельного, так и эмульгационного режимов течения. В условиях дисперсно-капельного фильтрационного потока снижается действие центробежной силы на капли жидкости и исключается возможность их коалесценции. Дисперсно-капельный и эмульгационный режимы парожидкостного потока интенсифицируют массообменные процессы между паром и жидкостью за счет образования большой поверхности массопередачи и скорости ее обновления. Это позволяет увеличить интенсивность массопередачи и производительность аппарата по распределяемому компоненту, повысить степень разделения гомогенной смеси, предотвратить коалесценсию капель жидкости и увеличить диапазон устойчивой работы аппарата при колебании расходов жидкости и газа. Заполнение области между патрубком и сепаратором высокопроницаемой насадкой позволяет также при малом гидравлическом сопротивлении усилить эрлифтный эффект. Вовлечение потоком газа жидкости в фильтрационный поток при затоплении ею высокопроницаемой насадки в области поступления газа в насадку исключает необходимость установки пульверизатора, что упрощает конструкцию аппарата.
На фиг.1 представлен общий вид горизонтального массообменного аппарата предлагаемой конструкции, на фиг.2 - схема заполнения кольцевой трубы высокопроницаемой насадкой в области между патрубком подвода жидкости и сепаратором, на фиг.3 и фиг.4 - устройство контактной трубы без изображения сепарационной части аппарата.
Горизонтальный массообменный аппарат состоит из корпуса 1 в виде цилиндрической поверхности, расположенной горизонтально и образованной сепаратором 2 и контрактной трубой 3, выполненной в виде объемной спирали, контактная труба 3 соединена с патрубком подвода жидкости 4 и сообщается с соседними сепараторами 2. Контактная труба заполнена высокопроницаемой насадкой 5, изготовленной, например, из высокопористых ячеистых материалов. Сепаратор соединен с патрубком для отвода жидкости 6. Контактная труба 3 и сепаратор 2 образуют ступень аппарата, количество таких ступеней в составе аппарата определяется требуемой степенью разделения исходной гомогенной смеси. Пространства соседних ступеней разделены перегородками 7. Патрубки соседних ступеней для подвода и отвода жидкости 4 и 6 соединены трубой 8 для перетекания жидкости между ними.
Горизонтальный массообменный аппарат работает следующим образом.
В контактную трубу 3 по патрубку 4 поступает жидкость из последующей по ходу пара ступени, заполняя ее нижнюю часть, а из сепаратора предыдущей по ходу пара ступени поступает освобожденный от капель жидкости пар. Пар вытесняет жидкость в область, заполненную высокопроницаемой насадкой, и поступает в насадку вместе с жидкостью, создавая в контактной трубе восходящее фильтрационное течение парожидкостного потока в режиме эмульгирования. Кроме режима эмульгирования может иметь место режим фильтрационного течения двухфазного потока, в котором сплошной фазой, в зависимости от соотношения расходов пара и жидкости, будет пар или жидкость. В фильтрационном парожидкостном потоке независимо от гидродинамического режима всегда будет наблюдаться интенсивное диспергирование раздробленной фазы, приводящее к увеличению поверхности контакта фаз и интенсивному ее обновлению, что и позволяет существенно увеличить интенсивность массообменного процесса в широком диапазоне изменения нагрузки контактного аппарата по пару и жидкости.
После выхода парожидкостного потока из контактной трубы в сепаратор жидкость отделяется от пара под действием сил тяжести и столкновения с поверхностью корпуса. Освобожденный от капель жидкости пар поступает из сепаратора в следующую контактную трубу, а отделившаяся жидкость отводится через патрубок 6 по трубе 8 в предыдущую по ходу пара контактную трубу, обеспечивая тем самым противоточное движение пара и жидкости в пределах контактного аппарата.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями обеспечивает более высокую эффективность массообменного процесса вследствие высоких значений коэффициента массопередачи и поверхности контакта фаз при работе аппарата в режиме эмульгирования.
Кроме того, предлагаемая конструкция увеличивает диапазон нагрузок по пару и жидкости из-за возможности существования высокодисперсного потока с развитой поверхностью контакта фаз в случае, когда раздробленной фазой может быть как жидкая, так и паровая фаза, а также уменьшает гидравлическое сопротивление горизонтального массообменного аппарата вследствие действия эрлифтного эффекта.