АБСОРБЕР

Предлагаемое техническое решение относится к массообменным аппаратам с листовой насадкой и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, энергетической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки дымовых газов и вентиляционных выбросов.
Известно тепломассообменное устройство, содержащие обечайку (корпус) с внутренними переливами, коллекторы для отвода и подачи теплоносителя в канал, образованный вертикально установленными контактными парами пластин, каждая из которых образует газожидкостный канал с примыкающими к поверхности пластин специальными теплопроводящими элементами в виде наклонно гофрированных лент, повернутых одна относительно другой и образующих винтовые каналы, при этом ленты могут быть перфорированными (авт. св. СССР №1001952, В01D 3/28, 1983 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая скорость массопереноса на границы раздела фаз жидкости и газа, что снижает производительность тепломассообменного устройства.
Известны вибрационные аппараты, секционированные кольцевыми перегородками. Они состоят из корпуса, кольцевых перегородок, перфорированных дисков, жестко закрепленных на вертикальных штангах и кольцевых перегородок, закрепленных на боковой стенке корпуса между дисками. Штанга прикреплена к вибрационному приводу, передающему перфорированным диском осевые колебания [Вибрационные массообменные аппараты / под ред. В.М. Олевского. - М.: Химия, 1980, с. 49].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, является недостаточная амплитуда осевых колебаний перфорированных дисков, на которых идет массоперенос между жидкой и газовой фазой, что снижает производительность вибрационных аппаратов. Кроме того, механическая вибрация от вибрационного привода разрушает конструктивные элементы, особенно сварочных швов, что требует периодической остановки вибрационных аппаратов на ремонт, что также снижает их производительность, так как уменьшает рабочее время работы.
Известно тепломассообменное устройство, включающее корпус, коллекторы для отвода и подачи теплоносителя в канал, образованный вертикально установленными контактными парами пластин, смежные пары пластин образуют газожидкостные каналы, в каждом из которых установлены перфорированные теплопроводящие элементы, при этом каждая контактная пара пластин примыкающие к ней участки газожидкостных каналов, отделенные от соседних участков теплопроводящими элементами, и фрагменты коллекторов для отвода и подачи теплоносителя соединены между собой, теплопроводящие элементы выполнены с продольными гофрами, а контактные пластины с продольными или наклонными ребрами и над контактными пластинами установлено оросительное устройство (патент на полезную модель №141498, В01D 3/28, 2013 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточный массоперенос на границе раздела жидкой и газовой фаз, что снижает производительность известной конструкции тепломассообменного устройства.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является колонна с насадкой в виде вертикальных пластин (плоскопараллельная насадка из того или иного твердого материала (металл, дерево, пластические массы) или туго натянутых полотнищ из ткани). В верней части аппарата находятся распределяющие жидкость устройства, равномерно орошающие каждую пластину с обеих сторон (В.М. Рамм. Абсорбция газов. Издание второе, переработанное и дополнительное. - М.: Химия, 1976, с. 307-308).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая производительность из-за малой скорости массопереноса на границе раздела фаз стекающей вниз по поверхности насадки пленки жидкости и восходящего газового потока.
Техническим результатом предлагаемой конструкции абсорбера повышение производительности за счет увеличение скорости массопереноса на границе раздела фаз стекающей вниз по поверхности насадки пленки жидкости и поднимающего навстречу ей потока газа за счет резонансных колебаний с высокой амплитудой пластин насадки.
Поставленный технический результат достигается тем, что абсорбер, представляющий собой колонну с насадкой в виде вертикальных пластин, в верхней части которой находятся распределяющие жидкость устройства, равномерно орошающие каждую пластину с обеих сторон, отличающаяся тем, что в нижней части колонны установлен коллектор для равномерного подвода газа на каждую пластину, состоящий из труб, установленных вдоль нижнего торца каждой пластины с равномерно герметично закрепленными по длине этих труб акустическими резонаторами с отверстиями, направленными на торцы пластин, на которых соосно с отверстиями горизонтально установлены диски, а верхние края пластин подвешены на цилиндрических пружинах, закрепленных в верхней части колонны, при этом диаметр отверстий в каждом акустическом резонаторе определяется выражением:
где d - диаметр отверстия в акустическом резонаторе, м;
а - упругость цилиндрической пружины, Н/м;
V -объем акустического резонатора, м3;
m -масса одной пластины насадки, кг;
с - скорость звука в газе, м/с;
n - общее число цилиндрических пружин, на которых подвешены пластины.
Установка коллектора для равномерного подвода газа на каждую пластину, состоящего из труб установленных вдоль нижнего торца каждой пластины, позволяет по этим трубам подавать газ снизу равномерно вдоль ширины каждой пластины, что обеспечивает использование всей поверхности пластин со стекающей по ним с обеих сторон пленкой жидкости, способствует росту массопереноса между газовой и жидкой фазами, а значит и повышению производительности.
Равномерное и герметичное закрепление по длине труб коллектора акустических резонаторов с отверстиями, направленными на торцы пластин, позволяет подавать через эти отверстия с большой скоростью на торцы пластин, который взаимодействует с пленкой жидкости, стекающей по пластинам с обеих сторон, обеспечивает вихреобразование и турбулизацию потоков жидкости и газовой фаз, что увеличивает поверхность массопереноса и способствует повышению производительности.
Установка на торцах пластин соосно с отверстиями акустических резонаторов дисков обеспечивает гидроудары газового потока на этих дисках, их обтекание газом в турбулентном режиме равномерно со всех сторон, что приводит к такому же равномерному распределению газового потока по сечению колонны, турбулизации границы раздела жидкой и газовой фаз, что в целом повышает производительность.
Закрепление верхних краев пластин на цилиндрических пружинах, которые в свою очередь закреплены в верхней части колонны, позволяет пластинами с пружинами вибрировать под действием ударов потока газа, выходящего из отверстий резонаторов, а диски, установленные на торцах пластин. Такие колебания пластин на цилиндрических пружинах создают колебания на границе раздела фаз стекающей пленки жидкости по обеим сторонам пластин и газа, поднимающегося вверх между пластинами, что способствует росту массопереноса, а значит повышает производительность.
Выполнение диаметра отверстия в акустическом резонаторе согласно выражению (1) позволяет вести колебания пластин на цилиндрических пружинах (образующих пружинный маятник) в режиме резонанса с собственной частотой колебаний газа, выходящего из акустического резонатора, значит, эти колебания происходят с большой амплитудой, что еще в большой степени способствует турбулизации поверхности массопереноса на границе жидкой и газовой фаз, а значит повышает производительность.
Как известно, собственная частота колебаний пружинного маятника, какими является каждая пластина массой m с цилиндрическими пружинами, каждая из которых имеет упругость α, определяется по уравнению:
α - упругость цилиндрической пружины, Н/м;
m - масса пластин насадки, кг;
n - число цилиндрических пружин, на которых подвешена пластина [Факультативный курс физики. Учебное пособие для учащихся / О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Н.И. Шефер. - 3-е изд. перераб. - М.: Просвещение, 1987, с. 11].
Собственная частота газа, выходящего из отверстия акустического резонатора, определяется по уравнению:
Приравнивая правые части уравнений (2) и (3) после алгебраических преобразований получаем выражение (1).
На фиг. 1 представлен общий вид в разрезе колонны с пластинчатой насадкой предлагаемой конструкции; на фиг. 2 - продольное вертикальное сечение по А-А; на фиг. 3 - поперечный разрез по Б-Б.
Абсорбер представляет собой колонну, состоящую из корпуса 1 с насадкой в виде вертикальных пластин 2. Корпус 1 содержит патрубки для входа 3 и выхода 4 жидкости и входа 5 и выхода 6 газа. К патрубку 3 входа жидкости прикреплена распределительное устройство для жидкости, состоящее из горизонтальной трубы 7 с распределительными патрубками 8, под каждым их которых установлены щелевые воронки 9 для равномерного орошения пластин 2 жидкостью с созданием на них с обеих сторон ее пленки.
В верхней части каждая пластина 2 подвешена на цилиндрических пружинах 10. В свою очередь сами цилиндрические пружины 10 закреплены в верхней части колонны на траверсах 11. Патрубок входа газа 5 присоединен к коллектору для равномерного подвода газа под каждую пластину 2. Этот коллектор состоит из труб 12, установленных вдоль нижней торца каждой пластины 2. На каждой трубе 12 равномерно по ее длине и герметично закреплен акустический резонатор 13 с отверстием 14, направленными на торцы пластин 2, на которых соосно с отверстиями 14 установлены горизонтальные диски 15. Диаметр d отверстий 14 определяется в соответствии с выражением (1).
Абсорбер с пластинчатой насадкой работает следующим образом. Жидкость по патрубку 3 подается в распределительное устройство для жидкости, и из горизонтальной трубы 7 попадает в распределительные патрубки 8, а из них в щелевые воронки 9, которые равномерно в виде пленки орошают обе поверхности вертикальных пластин 2 стекает по ним вниз корпуса 1 и отводится из него по патрубку 4.
Газ подается по патрубку 5, попадает в трубы 12 и равномерно заполняет полость акустических резонаторов 13, из которых с большой скоростью выходит через отверстия 14. Поток газа, выходя из отверстий 14 резонаторов 13 с большой силой ударяет по дискам 14 и, равномерно обтекая их, образует вихри и волнообразование поверхностей пленки жидкости, стекающей по вертикальным пластинам 2, поднимается вверх вдоль поверхностей вертикальных пластин 2 и выходит из корпуса 1 по патрубку 6.
Так как диаметр d отверстий 14 в акустических резонаторах 13 подчиняется выражению (1), то собственная частота колебаний газа, выходящего из отверстий 14 равна частоте колебаний вертикальных пластин 2, которые с цилиндрическими пружинами 10 образуют пружинный маятник. То есть частота ударов газа, выходящего из отверстий 14 акустических резонаторов 13 совпадает с частотой колебаний вертикальных пластин 2 на цилиндрических пружинах 10, а значит, эти колебания происходят с большой амплитудой, вызывая турбулизацию и вихреобразование на границе раздела фаз жидкости, стекающей вниз, и газа, поднимающегося вверх. Такой резонансный режим колебаний вертикальных пластин 2 интенсифицирует процесс массопереноса между жидкой и газовой фазами и приводит к повышению производительности.
Пример расчета.
В абсорбере, представляющем собой насадочную массообменную колонну с пластинчатой насадкой очищают воздух в процессе абсорбции при температуре 20°С.
Масса каждой пластины 2:m=2 кг;
Скорость звука в воздухе при температуре 20°С: с=330 м/с;
5
Упругость цилиндрической пружины 10 α=2,18⋅10 Н/м;
Число цилиндрических пружин 10, на которых подвешена каждая пластина 2:n=2;
-3
3
Объем каждого акустического резонатора 13:V=0,5⋅10 м, то есть 0,5 литра.
Согласно выражению (1) диаметр d отверстия 14 в акустическом резонаторе 13 должен быть:
то есть 1 мм.
Частота колебаний пружинного маятника, образованного вертикальной пластиной 2 с цилиндрической пружиной 10 согласно уравнению (2):
Частота колебаний воздуха, восходящего из отверстия 14 акустического резонатора 13 согласно уравнению (3):
Таким образом, установка в нижней части колонны абсорбера с насадкой в виде вертикальных пластин 2 коллектора для равномерного подвода газа под каждую пластину 2, состоящего из труб 12, установленных вдоль нижнего торца каждой пластины 2 с равномерно герметично закрепленными по длине этих труб 12 акустическими резонаторами 13 с отверстиями 14, направленными на торцы пластин 2, на которых соосно с отверстиями 14 горизонтально установлены диски 15, а также закрепление верхних краев пластин 2 на цилиндрических пружинах 10, которые в свою очередь закреплены в верхней части колонны, причем диаметр d отверстий 14 в каждом акустическом резонаторе 13 определяется выражением (1) позволяет интенсифицировать массоперенос между жидкой и газовой фазами за счет резонансного режима колебаний с большой амплитудой вертикальных пластин 2 на цилиндрических пружинах 10 под действием струй газа, выходящих с большой скоростью из отверстий 14 акустических резонаторов 13, что приводит к повышению производительности.