ВРАЩАЮЩИЙСЯ СЛОЙ НАСАДКИ
ROTATING LAYER OF NOZZLE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к вращающемуся слою насадки (ВСН) для процесса абсорбции или десорбции и к способу абсорбции или десорбции с использованием вращающегося слоя насадки.
Уровень техники
Слои насадки известны в технике своим применением в процессах разделения газов и жидкостей, таких как процессы разделения воздуха и воды, или процессах абсорбции и десорбции, таких как абсорбция определенного газа из отработанного газа. Эксплуатационные характеристики слоев насадки, также называемых термином «насадочные колонны», определяются пористостью материала, используемого в качестве наполнителя, суммарной площадью поверхности слоя насадки, а также суммарной высотой колонны. Как правило, газ и жидкость направляются через неподвижные слои насадки в противоточном потоке друг относительно друга, таким образом можно обеспечивать более высокую эффективность разделения в процессе противоточного потока по сравнению с процессом прямоточного потока.
В неподвижных слоях насадки на жидкость, проходящую через насадку, действует только сила тяжести, что приводит к тому, что необходимо конструировать колонны значительной высоты, чтобы обеспечивать требуемую степень разделения.
Вращающиеся слои насадки, такие как, например, первый такой слой, представленный его первоначальным автором в патенте США № 4400275, состоит из распложенной на валу насадки, через которую проходят газ и жидкость. Вращение слоя насадки на валу позволяет увеличивать удельную площадь поверхности в расчете на единицу объема, действуя в процессе разделения таким образом, что суммарный объем слоя насадки для данной эффективности может быть меньше по сравнению с объемом в случае неподвижной насадочной колонны. Хотя удельная площадь поверхности контакта в расчете на единицу и коэффициент массопереноса для вращающегося слоя благоприятно увеличиваются, потери давления по слою также увеличиваются.
В неподвижной насадочной колонне сила тяжести действует на поток жидкости через насадку, и разность суммарного давления газа позволяет ему протекать через насадку в восходящем направлении. С другой стороны, для вращающегося слоя насадки требуется дополнительная энергия, чтобы ускорять движение газа через слой насадки, преодолевая при этом силы трения, а также чтобы обеспечивать работу вращающейся системы.
В работе D.P. Rao, А Bhowal, P.S. Goswami «Интенсификация процесса во вращающихся слоях насадки: оценка» (Ind. Eng. Chem. Res., 2004 г., т. 43, с. 1150-1162) представлен вращающийся слой насадки, где газ, введенный в корпус вращающегося слоя, входит на периферическом наконечнике вращающегося вала и протекает в радиально внутреннем направлении к отверстию ротора, где он выходит из устройства через выпускную трубу. Жидкость подается в форме капельного аэрозоля или струи в слой насадки у отверстия ротора, проходит над насадкой под действием центробежной силы в радиально наружном направлении и выходит из устройства через выпускную трубу у периферии вращающегося слоя насадки. Обсуждаются параметры, которые определяют эффективность процесса разделения вследствие вращения, такие как пропускная способность, газовый поток, жидкостный поток, потери давления, орошение, коэффициент массопереноса на стороне газа и жидкости и потребляемая мощность.
Патент США № 6884401 раскрывает вращающийся слой насадки, имеющий впуск для высоковязкой жидкости в точке около оси вращающегося вала и выпуск для жидкости на периферии слоя. Впуск предназначен для прохождения газа в радиально внутреннем направлении через вращающуюся насадку.
Европейский патент № 2018900 раскрывает использование вращающегося слоя для дегазации жидкости, где вакуум прикладывается к внутренней области вращающегося слоя насадки, через газовый выпуск у оси вала вращающегося слоя. Жидкость с растворенным газом проходит через насадку в радиально наружном направлении и может выходить из устройства через выпуск вблизи его периферии.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить вращающийся слой насадки для абсорбции газа в жидкости или десорбции газа из жидкости, требующий уменьшенное количество энергии для своей работы по сравнению с вращающимися слоями насадки, известными в технике.
Следующая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ абсорбции газа в жидкости или десорбции газа из жидкости с использованием вращающегося слоя насадки, который усовершенствован по сравнению с предшествующим уровнем техники в отношении энергии, требуемой для осуществления способа.
Согласно настоящему изобретению, вращающийся слой насадки (ВСН) содержит первый и второй слои насадки, расположенные смежно друг с другом на вращающемся валу, а также впуск для газа и впуск для жидкости, которые оба расположены у вращающегося вала и выполнены для обеспечения протекания выходящего потока газа и жидкости через первый слой насадки в прямоточном потоке в радиальном направлении.
Вращающийся слой насадки дополнительно содержит второй впуск для второй жидкости, расположенный у вращающегося вала и выполненный для обеспечения прохождения потока этой жидкости через второй слой насадки в радиально наружном направлении в противоточном потоке с газом. Газ протекает из первого газового пространства, проходящего вдоль вала между валом и внутренним радиусом первого слоя, во второе газовое пространство у внешнего радиуса первого слоя, проходящее вдоль внешнего радиуса первого и второго слоев, таким образом, что газ может протекать из первого слоя во второй слой. Газ протекает из указанного второго газового пространства через второй слой в третье газовое пространство у внутреннего радиуса второго слоя вдоль вала и затем протекает из устройства через выпуск.
В способе согласно настоящему изобретению для абсорбции газа в жидкости или для десорбции газа из жидкости газ сначала направляется прямоточно с жидкостью в радиально наружном направлении через первый вращающийся слой насадки, и тот же газ направляется через газовое пространство во второй слой насадки, из которого он направляется в противоточном потоке с жидкостью в радиально внутреннем направлении через второй вращающийся слой насадки.
Вращающийся слой насадки согласно настоящему изобретению объединяет противоточный и прямоточный потоки в одном устройстве с вращающимся слоем насадки. Настоящее изобретение использует преимущества процессов с прямоточным и противоточным потоками и тем самым обеспечивает оптимизацию технологической эффективности ВСН.
Газ, протекающий прямоточно с жидкостью через первый слой насадки в радиально наружном направлении, ускоряется вместе с жидкостью под действием центробежной силы. Последующее увеличение давления используют для продвижения газа через второй слой насадки, преодолевая потери давления, понесенные во время протекания топочного газа через второй слой. Энергия для ускорения движения газа через слой насадки в прямоточном направлении с жидкостью регенерируется, когда он нагнетается через второй слой насадки. По существу, для работы вращающегося слоя насадки согласно настоящему изобретению требуется меньше энергии по сравнению с вариантами ВСН предшествующего уровня техники, работающими только в режиме противоточного потока газа и жидкости.
Расположение двух слоев насадки на одном вращающемся валу с последовательным направлением газового потока через оба слоя обеспечивает взаимодействие газа и жидкости в процессе абсорбции или десорбции, происходящее в большем масштабе, т.е. на более протяженном эффективном пути движения. Однако фактический размер устройства, в частности диаметр ВСН, может оставаться малым. Эта отличительная особенность обеспечивает повышенную гибкость в конструкции ВСН. Например, можно увеличивать число вращающихся слоев насадки, расположенных последовательно на одном валу, сохраняя при этом их малые диаметры. Это обеспечивает одновременное снижение трудоемкости и стоимости производства. Кроме того, уменьшение размера устройства обеспечивает расширение сферы действия и применения ВСН.
Сочетание двух слоев насадки, расположенных для прямоточного потока в сочетании с противоточным потоком, обеспечивает несколько дополнительных возможностей для оптимизации эффективности устройства и процесса. Сочетание двух слоев позволяет сочетать различные типы насадок, различные относительные размеры насадок, включая радиальные высоты, площади поперечного сечения, а также радиальное положение отдельных слоев насадки.
Кроме того, данное устройство допускает различные массовые соотношения потоков жидкости и газа через два слоя насадки.
Наконец, данное устройство позволяет использовать одинаковые или различные жидкости для двух слоев.
Ряд параметров, которые влияют на суммарный коэффициент массопереноса ВСН в целом, можно в значительной степени улучшать по сравнению с параметрами ВСН предшествующего уровня техники. Все параметры являются доступными для дополнительной оптимизации технологической эффективности, стоимости, размера и возможности производства, и, таким образом, это в значительной степени повышает конструкционную гибкость, доступную для данного устройства.
В примерном варианте осуществления устройства первый и второй жидкостные впуски выполнены для направления одной и той же жидкости через оба слоя насадки. Это означает, что жидкость, направленная через первый слой насадки, рециркулируется и направляется также через второй слой. Для этой цели устройство содержит средство для направления жидкости, выходящей из первого слоя насадки, от внешнего радиуса данного слоя насадки во второй слой насадки и на вращающийся вал.
В конкретном варианте осуществления впуск для жидкости через второй слой насадки выполнен для направления жидкости того же типа, который использовали для первого слоя насадки, где данная жидкость, однако, представляет собой свежую жидкость и не рециркулирует из первого слоя. В результате этого суммарная эффективность процесса разделения или абсорбции будет повышаться за счет использования свежего растворителя. Направление свежей жидкости через второй слой насадки может компенсировать уменьшение эффективности разделения, возникающее в первом слое насадки вследствие прямоточного течения жидкости и газа.
Однако в данном случае первый и второй жидкостные впуски для первого и второго слоев насадки можно присоединять к одному и тому же источнику жидкости.
В одном варианте осуществления ВСН содержит средство для рециркуляции жидкости, выходящей из первого слоя (3) насадки у внешнего радиуса ВСН во второй жидкостный впуск у вращающегося вала и второй слой (4) насадки.
a3
a4
В еще одном варианте осуществления внутренний радиус (r) первого слоя (3) насадки и внутренний радиус (r) второго слоя (4) насадки являются одинаковыми.
b3
b4
В еще одном варианте осуществления внешний радиус (r) первого слоя (3) насадки и внешний радиус (r) второго слоя (4) насадки являются одинаковыми.
В еще одном варианте осуществления радиальные протяженности первого и второго слоев (3, 4) насадки являются одинаковыми.
В еще одном варианте осуществления радиальная протяженность первого слоя (3) насадки и радиальная протяженность второго слоя (4) насадки являются различными.
В следующем примерном варианте осуществления первый и второй жидкостные впуски выполнены и расположены для направления двух различных жидкостей через два слоя. Эти две жидкости могут различаться по своему типу или по температуре.
Например, каждый из двух жидкостных впусков можно присоединять к различным источникам, каждый из которых содержит жидкость различного состава.
В варианте осуществления жидкостные впуски присоединены к источникам жидкостей, которые имеют различные температуры. Это предоставляет дополнительную возможность тонкого регулирования технологических рабочих характеристик.
В примерном варианте осуществления жидкостные впуски для первого и второго слоев насадки оборудованы средствами распределения жидкости, такими как распылительные сопла или струйные насадки.
2
Вращающийся слой насадки согласно настоящему изобретению можно применять для процессов разделения, включая процессы абсорбции, такие как, например, абсорбция CO из топочного газа, образующегося в результате процесса горения, процессы десорбции, процессы очистки газов или процессы деаэрации, такие как деаэрация очищенной воды для пароводяного цикла электростанции или десульфуризация.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения можно применять ВСН, содержащие любое число слоев насадки, расположенных на одном валу, которые дополняют описанные выше первый и второй слои, где газ направляется последовательно через каждый из слоев насадки, согласованно переходя от прямоточного потока к противоточному потоку и возвращаясь к прямоточному потоку с жидкостью. Такая конфигурация обеспечивает еще более высокую степень разделения или абсорбции и использование большего разнообразия в сочетании различных параметров слоев насадки, а также повышенную степень оптимизации процесса.
В следующем варианте осуществления настоящего изобретения газовый впуск может быть расположен у периферического пространства ВСН между корпусом и внешним радиусом первого слоя, а не у вала. Жидкостные впуски по-прежнему на вращающемся валу. В этой конфигурации первый слой насадки работает в режиме противоточного потока, где газ протекает в радиально внутреннем направлении и в противоточном потоке относительно жидкости. После этого газ проходит в прямоточном потоке относительно жидкости через второй слой насадки. Газ выходит из устройства через газовый выпуск, через периферическое пространство между корпусом и внешним радиусом второго слоя и через газовый выпуск в корпусе.
В еще одном варианте осуществления ВСН дополнительно содержит второе газовое пространство, проходящее вдоль внутреннего радиуса первого слоя насадки и внутреннего радиуса второго слоя насадки, и третье газовое пространство, проходящее от внешнего радиуса второго слоя до корпуса.
Во всех вариантах осуществления настоящего изобретения вращающийся вал можно устанавливать горизонтально или вертикально.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет вид поперечного сечения вращающегося слоя насадки согласно настоящему изобретению, который содержит два слоя насадки, расположенных последовательно.
Фиг. 2 представляет вращающийся слой насадки согласно настоящему изобретению, на котором установлено более чем два слоя насадки.
Одинаковые ссылочные позиции на чертежах относятся к одинаковым элементам.
Наилучшие варианты осуществления изобретения
Фиг. 1 представляет вид поперечного сечения вращающегося слоя 1 насадки, имеющего корпус 10 и расположенного на горизонтально выровненном валу 2, приводимом в движение мотором. В данном примере вал расположен горизонтально. Также возможна конфигурация с вертикальным валом.
a3
a4
b3
b4
a3
a4
in
a3
Первый слой 3 насадки и второй слой 4 насадки расположены смежно друг с другом вдоль вала 2, где оба слоя насадки имеют внутренние радиусы r и r, соответственно, и внешние радиусы r и r, соответственно. Оба внутренних радиуса r и r находятся смежно с валом. Линия 6 для газа, например для отработанного топочного газа газовой турбины, предназначена, чтобы направлять газ через первый впуск G, через корпус 10 устройства. Газ входит в первое пространство 6′, проходящее вдоль вала между валом и внутренним радиусом r первого слоя 3. Стрелки показывают поток газа через пространство и в первый слой насадки.
2
Линия 5а для жидкости, например воды, подлежащей деаэрации, или раствора моноэтаноламина (МЕА) в качестве абсорбирующего CO раствора, установлена внутри самого вала 2 и содержит множество распределительных средств 5а′, распределяющих жидкость по поверхности слоя 3 насадки. Жидкость движется подобно тонкой пленке по поверхностям насадки и там взаимодействует с газом, поступающим в прямоточном движении через насадку 3. Как показывают две параллельные стрелки, указывающие в одном направлении, как газ, так и жидкость ускоряются под действием центробежной силы.
b3
b4
b4
Газ, поступающий через первый слой 3 насадки к внешнему радиусу устройства 1, выходит из насадки 3 и входит во второе, имеющее цилиндрическую форму газовое пространство 6″, которое расположено вдоль внешних радиусов r и r первой и второй насадок 3 и 4, и проходит через отверстие 7, например, содержащее влагоотделяющий элемент, в газовое пространство 6″ между внешним корпусом устройства и внешним радиусом r второго слоя 4. Затем газ направляется из этого пространства 6" внутрь в радиальном направлении через второй слой 4 насадки назад к валу 2.
1,out
Жидкость, прошедшая через первую насадку 3, собирается на внешней периферии в пространстве 11а, имеющем выпуск L, через который жидкость направляется для дальнейшего использования или обработки.
1,out
Вторая жидкостная линия 5b расположена во вращающемся валу на уровне второго слоя 4 насадки, где в этой жидкостной линии может содержаться жидкость, выходящая через выпуск L, или другая жидкость, относящаяся к тому же или другому типу или имеющая такую же или другую температуру, и содержит множество распределительных средств 5b′, которые распределяют жидкость в радиальном направлении по внутренней поверхности второго слоя 4 насадки. Жидкость проходит через насадку в радиально наружном направлении и в противоточном потоке относительно газа через вторую насадку, как показывают две параллельные, но противоположно направленные стрелки. Газ нагнетают через эту насадку под действием давления, которое образовано газом внутри первой насадки.
Примерное устройство на фиг. 1 содержит первую и вторую насадки, имеющие различные внутренние и внешние радиусы двух слоев насадки. Все эти значения можно регулировать для достижения оптимальной эффективности устройства.
Вследствие противоточного движения во втором вращающемся слое 4 насадки процесс абсорбции или десорбции отличается градиентом концентрации, которая изменяется в меньшей степени по сравнению с концентрацией в первом вращающемся слое насадки.
a4
out
Обработанный/очищенный газ в случае абсорбции и десорбированный газ в случае десорбции поступают в конечное газовое пространство 8, проходящее от внутреннего радиуса r второго слоя 4 насадки к валу, откуда газ выходит из устройства через газовый выпуск G в газовую линию, которая направляет газ для дальнейшего использования или переработки.
2,out
Жидкость, прошедшая через второй слой 4 насадки, собирается в пространстве 11b, из которого жидкость выходит из устройства через выпуск L.
in
in
Фиг. 2 представляет вариант осуществления настоящего изобретения, который распространяет концепцию настоящего изобретения на вращающийся слой насадки, имеющий два слоя насадки и любое число дополнительных слоев насадки, расположенных последовательно на одном и том же вращающемся валу. Примерное устройство включает четыре слоя 21-24 насадки, расположенных на вращающемся валу 2 внутри корпуса 10. Газ, подлежащий обработке, направляется в устройство через газовый впуск G и проходит через первую насадку 21 в прямоточном потоке с жидкостью, после чего следует его противоточное течение относительно жидкости через вторую насадку 22, снова прямоточное течение через третью насадку 23 и противоточное течение в последней насадке 24, как показывают стрелки внутри каждой из насадок 21-24. Жидкость или жидкости можно направлять через один или несколько впусков L у вращающегося вала или направлять через распределительные средства 5а′ и 5b′ к поверхности насадок 21-24. Пример иллюстрирует одну из многочисленных возможностей конструкции, которые предоставляет концепция согласно настоящему изобретению, где число насадок, типы насадок и размеры насадок, включая радиальные протяженности, внутренние и внешние радиусы, а также радиальные положения отдельных насадок можно регулировать и оптимизировать для конкретных приложений или операций.
Условные обозначения, используемые на чертежах
1 - вращающийся слой насадки (ВСН)
2 - вращающийся вал
3 - первый слой насадки
4 - второй слой насадки
a3
r - внутренний радиус первого слоя
a4
r - внутренний радиус второго слоя
b3
r - внешний радиус первого слоя
b4
r - внешний радиус второго слоя
5а - впускная линия для первого жидкостного потока
5b - впускная линия для второго жидкостного потока
in
G - впуск для газового потока
out
G - выпуск для газового потока
6' - газовое пространство
6" - газовое пространство
7 - влагоотделяющий элемент
8 - газовое пространство
10 - корпус
11а - пространство для жидкости
11b - пространство для жидкости
12 - перегородка, разделительная пластина
in
G - газовый впуск
out
_
G газовый выпуск
1,in
_
L первый жидкостный впуск
2,in
L - второй жидкостный впуск
1,out
L- первый жидкостный выпуск
2,out
L - второй жидкостный выпуск