Контактное устройство для тепло-, массообменных и сепарационных процессов, контактный патрубок для него, завихритель и средство подачи жидкости для патрубка
CONTACT DEVICE FOR HEAT, MASS-EXCHANGE AND SEPARATION PROCESSES, CONTACT BRANCH PIPE FOR IT, SWIRLER AND LIQUID SUPPLY DEVICE FOR BRANCH PIPE

Изобретение относится к контактным устройствам для тепло-, массообменных и сепарационных процессов и может быть использовано при очистке газа от мелкодисперсных механических примесей и капельной жидкости, в процессах абсорбции, десорбции и ректификации.
Хорошо известны массообменные аппараты в системе газ-жидкость, которые включают контактные устройства - контактные патрубки, установленные на полотно тарелок, снабженные завихрителями, с узлами ввода жидкости и газа, узлами их вывода. Контактные устройства работают по принципу прямоточного взаимодействия фаз в зоне их контакта в восходящем закрученном прямотоке.
Так, в SU 498009 тарелка массообменного аппарата состоит из полотна, на котором жестко закреплены контактные цилиндрические патрубки. Над патрубками установлены отбойные колпачки для съема жидкости, а в нижней части контактного патрубка - завихрители из лопастей, каждая в виде одной четвертой части кольцевого диска, наружный диаметр которого равен внутреннему диаметру патрубка, деленному на косинус угла наклона лопастей завихрителя. Газ в патрубки подается через нижние их отверстия, а жидкость - через U-образные трубки с верхних тарелок (см. SU 498009, Массообменный аппарат, МПК B01D 3/26, B01D 3/30, опубликовано 5.01.76. №1).
Недостатком этого аналога является малое время контакта фаз, что ведет к неэффективному массообмену и неполной сепарации, а также высокое гидравлическое сопротивление по газовому и жидкостному потокам, снижающее удельную производительность по газу и интенсивность промывки. Это вызвано тем, что завихритель имеет малое живое сечение, которое тем меньше, чем больше угол отклонения лопатки от оси завихрителя. Малое живое сечение завихрителя увеличивает его гидравлическое сопротивление, что ведет к снижению производительности и повышению габаритов и массы аппарата за счет увеличения межтарельчатого расстояния. Кроме того, локальное, в области открытого сечения лопаток, диспергирование жидкости происходит при разрыве четырех струй, истекающих из отверстий контактного патрубка. При этом зона распыления (дробления) жидкости распределена в объеме завихрителя неравномерно, что ведет к дополнительному снижению массообмена и к неполной сепарации.
Известна контактная тарелка для тепломассообменных аппаратов, содержащая закрепленные на полотне тарелок контактные патрубки, каждый из которых в нижней своей части снабжен завихрителем и трубками подвода жидкости (см. SU 572272, МПК B01D 3/26, опубликовано 15.09.77. №34). Газ подается снизу патрубка на вход завихрителя, а жидкость - через трубку к центру патрубка. Для повышения эффективности массообмена в контактной тарелке предусмотрена рециркуляция газа, однако наличие узла рециркуляции усложняет конструкцию описанного контактного устройства.
В соответствии с техническим решением по авторскому свидетельству SU 1072865, МПК B01D 3/26, опубликовано 15.02.84. №34, контактно-сепарационная тарелка включает полотно с прямоточно-центробежными элементами из цилиндрических патрубков, расположенных на полотне, тангенциальных завихрителей в виде тангенциальных щелей. Завихритель разделен на равные участки, составляющие каждый угол относительно внутренней образующей цилиндра с разворотом наружу, равный одной третьей длины этого участка. Отбортованные кольца соединены вертикальными стенками со стенками патрубков и завихрителей, а горизонтальными стенками - с полотном. Верхняя часть патрубков снабжена колпачковым пленкосъемником для улучшения сепарации. Недостатком описанного выше решения является сложность конструкции, наличие большого количества конструктивных элементов.
Наиболее близким аналогом из вышеописанных выбрано изобретение по патенту SU 498009.
Задачей настоящего изобретения является повышение производительности массообменного аппарата, интенсивности промывки газа.
Техническим результатом является снижение гидравлического сопротивления по газовому и жидкостному потокам, равномерное распределение распыления (дробления) жидкости в объеме завихрителя в зоне контакта (диспергирования), увеличение поверхности контакта сред и, как следствие, повышение эффективности реализуемого процесса.
Задача решается и технический результат реализуется в конструкции контактного устройства для тепло-, массообменных и сепарационных процессов, представляющего собой контактный цилиндрический патрубок, вертикально жестко установленный на опорное полотно, выполненное с отверстием для подачи газа. Контактный цилиндрический патрубок снабжен средством для подачи промывочной жидкости и выполнен с отверстиями - снизу для подачи газа, сверху для его выхода. Нижнее отверстие контактного цилиндрического патрубка совпадает с отверстием опорного полотна. Опорное полотно снабжено переливной перегородкой для жидкости, высота перегородки определяет максимальный уровень жидкости, подаваемой в контактный патрубок. В верхней части контактного устройства снаружи него установлен съемник пленочной жидкости, выполненный в виде внешнего по отношению к контактному патрубку цилиндра с диаметром больше диаметра цилиндрического патрубка соосно ему, с образованием наружного кольцевого канала для исхода пленочной жидкости и части газа. В контактном патрубке установлен статический лопастный завихритель соосно с ним.
Отличия предложенного контактного устройства от прототипа заключаются в следующем.
Завихритель выполнен многолопастным, вход завихрителя расположен в нижней части контактного патрубка.
Количество лопастей выполнено больше двух и его оптимальное значение зависит от диаметра контактного патрубка, выставленных зазоров, их длины; в частном случае оно может составлять 18.
Лопасти (лепестки, ламели) завихрителя выполнены каждая в виде удлиненной пластины и верно расположены под острым углом к оси контактного патрубка с частичным наложением на соседние пластины; наружные боковые кромки лопастей образуют коническую поверхность завихрителя, ориентированную большим основанием вверх. Внутренние кромки каждой лопасти развернуты или отогнуты внутрь завихрителя относительно их внешних кромок с образованием щелевых зазоров между соседними лопастями для прохода газа.
Высота конусной части завихрителя больше внутреннего диаметра контактного патрубка в 1,2-1,4 раза. Такое соотношение размеров обеспечит получение технического результата и составит приемлемые габариты устройства. При уменьшении высоты конуса от значения 1,2 внутреннего диаметра контактного патрубка острый угол расположения лопастей по отношению к оси увеличивается, при этом даже при соответственном увеличении щелевых зазоров между лопастями «лобовое» сопротивление, создаваемое лопастями завихрителя, увеличивается и вносит существенный вклад в бесполезную затрату энергии потока. Сопротивление устройства используется не на совершение полезного действия - дробления жидкости, а на преодоление препятствия, создаваемого лопастями. Соответственно, при увеличении высоты завихрителя более 1,4 внутреннего диаметра контактного патрубка теряется эффект «закручивания», следовательно, в верхней части контактного патрубка снизится эффективность сепарации, т.е. капли промывочной жидкости при движении газового потока от завихрителя к выходному отверстию патрубка не будут успевать достигнуть его внутренней поверхности, не попадут в кольцевой канал съемника и покинут контактный патрубок вместе с основным газовым потоком, а это недопустимо при реализации целевого процесса сепарации, массообмена.
Суммарное проходное сечение щелевых зазоров между лопастями конического завихрителя составляет от 0,9 до 1,1 внутреннего сечения контактного патрубка. Изменение проходного сечения завихрителя за пределы заявленного диапазона будет также сопровождаться указанными выше последствиями.
Контактный патрубок выполнен с боковыми отверстиями в его цилиндрической поверхности на том же уровне, где расположено средство для подачи жидкости, с возможностью взаимодействия боковых отверстий контактного патрубка с отверстиями на концах проходной трубки - средством подачи жидкости. Боковые отверстия контактного патрубка с проходной трубкой расположены ниже уровня промывочной жидкости на опорном полотне.
Завихритель с патрубком ввода жидкости может быть установлен в контактном патрубке разными способами, например развальцовкой боковых входных отверстий контактного патрубка для жидкости непосредственно в отверстия на концах проходной трубки средства подачи жидкости. Контактный патрубок крепится к опорному полотну с помощью шпильки, жестко закрепленной на нижнем осевом конце завихрителя, и струбцины. Это обеспечивает быстрое его снятие или смену при необходимости.
Струбцина выполнена трехлучевой, что обеспечивает беспрепятственный проход газа в контактный патрубок и устойчивость конструкции.
Для уплотнения сопрягаемых поверхностей контактного устройства и опорного полотна предусмотрена прокладка из неметаллического материала - пластина из маслобензостойкой резины (МБС).
Задача решается и технический результат реализуется также конструкцией контактного цилиндрического патрубка, снабженного средством для подачи жидкости, выполненного с отверстиями - снизу для подачи газа, сверху для его выхода, в верхней части контактного устройства снаружи него установлен съемник пленочной жидкости, внутри него установлен статический лопастный завихритель соосно с цилиндрическим патрубком.
Отличия предложенного контактного патрубка от прототипа заключаются в следующем.
Завихритель выполнен многолопастным, вход завихрителя расположен в нижней части контактного патрубка.
Оптимальное значение количества лопастей зависит от диаметра контактного патрубка, выставленных зазоров и их длины; в частном случае оно может составлять 18.
Лопасти завихрителя выполнены каждая в виде удлиненной пластины и верно расположены под острым углом к оси контактного патрубка с частичным наложением на соседние пластины; наружные боковые кромки лопастей образуют коническую поверхность завихрителя, ориентированную большим основанием вверх. Внутренние кромки каждой лопасти развернуты или отогнуты внутрь завихрителя относительно их внешних кромок с образованием щелевых зазоров между соседними лопастями для прохода газа.
Высота конусной части завихрителя выполнена больше внутреннего диаметра контактного патрубка в 1,2-1,4 раза.
Суммарное проходное сечение щелевых зазоров между лопастями конического завихрителя составляет от 0,9 до 1,1 внутреннего сечения контактного патрубка.
Задача решается и технический результат реализуется конструкцией статического лопастного завихрителя контактного патрубка, выполненного многолопастным, количество лопастей зависит от диаметра контактного патрубка, выставленных зазоров, их длины; в частном случае оно может составлять 18; лопасти завихрителя выполнены каждая в виде удлиненной пластины и веерно расположены под острым углом к его оси с частичным наложением на соседние пластины; наружные боковые кромки лопастей образуют коническую поверхность завихрителя, ориентированную большим основанием вверх. Высота конуса завихрителя больше внутреннего диаметра контактного патрубка в 1,2-1,4 раза. Такое соотношение размеров обеспечит получение технического результата и составит приемлемые габариты устройства. Внутренние кромки каждой лопасти развернуты или отогнуты внутрь завихрителя относительно их внешних кромок с образованием щелевых зазоров между соседними лопастями для прохода газа. Суммарное проходное сечение щелевых зазоров между лопастями конического завихрителя составляет от 0,9 до 1,1 внутреннего сечения контактного патрубка.
Задача решается и технический результат реализуется конструкцией контактного устройства с контактным патрубком с использованием средства для подачи промывочной жидкости - патрубка ввода жидкости в контактный патрубок, который представляет собой отрезок проходной трубки, расположенной горизонтально, на высоте меньше уровня жидкости на опорном полотне; необходимо, чтобы жидкость подавалась средством подачи ее снизу завихрителя, в нижней части контактного патрубка. Для этого средняя часть проходной трубки в верхней боковой части снабжена каналом для контакта с входом внутренней полости завихрителя. Таким образом, место подачи промывочной жидкости в контактный патрубок расположено ниже завихрителя. Это обеспечивает подачу промывочной жидкости в зону контакта прямоточно, направление движения газа и жидкости здесь совпадают. Это исключает дополнительное гидравлическое сопротивление для потока жидкости.
На фигуре представлена конструкция контактного устройства, выполненного в виде контактного цилиндрического патрубка 1, передняя часть стенки которого убрана для наглядности, с проходными отверстиями - снизу для подачи газа, сверху для выхода газа. Контактный цилиндрический патрубок 1 вертикально жестко установлен на опорное полотно 2 с отверстием в полотне для подачи газа снизу. В верхней части контактного устройства снаружи его установлен съемник 3 пленочной жидкости в виде цилиндра с диаметром больше диаметра цилиндрического патрубка 1 соосно ему, с образованием кольцевого канала для исхода пленочной жидкости и части газа. В нижней части контактного патрубка соосно ему установлен статический многолопастный завихритель 4, его вход соединен с патрубком 5 ввода жидкости. Для подачи жидкости в контактный патрубок 1 в его боковой цилиндрической поверхности предусмотрены отверстия, взаимодействующие с входами патрубка 5 ввода жидкости. Жидкость (не показано) находится на опорном полотне 2, где установлена переливная перегородка (не показано), определяющая максимальный уровень жидкости. Контактный патрубок 1 с завихрителей 4 и с патрубком 5 ввода жидкости установлен на опорном полотне 2 и закреплен при помощи шпильки 6 завихрителя 4 и гайки посредством трехлучевой струбцины 8. Такой способ крепления контактного патрубка 1 позволяет быстро его снять или сменить на другой при ремонте или отладке. Лопасти 7 завихрителя 4 расположены в контактном патрубке 1 веерно и выполнены каждая в виде удлиненной пластины; наружные кромки лопастей образуют коническую поверхность, ориентированную большим основанием вверх. Высота конусной части завихрителя в 1,2-1,4 раза больше внутреннего диаметра патрубка 1. Для образования щелевых зазоров между соседними пластинами для прохода газа внутренние кромки каждой лопасти развернуты или отогнуты внутрь завихрителя 4 относительно их внешних кромок, образующих коническую поверхность. Возможна и другая конструкция завихрителя для образования щелевых зазоров. Суммарное проходное сечение щелевых зазоров между лопастями 7 конического завихрителя 4 составляет от 0,9 до 1,1 внутреннего сечения контактного патрубка 1. Оптимальное количество лопастей завихрителя зависит от выставленных зазоров, их длины, диаметра контактного устройства и при указанных выше значениях может составлять 18 шт. Для уплотнения сопрягаемых поверхностей контактного устройства и опорного полотна предусмотрена прокладка 9 из неметаллического материала - пластина из МБС.
Контактное устройство работает следующим образом.
Снизу полотна через нижнее отверстие контактного патрубка 1 на завихритель 4 подается газ, требующий очистки или осушки. Газ, проходя через щелевые зазоры между лопастями, проникает внутрь завихрителя 5, и за счет формы и расположения лопастей ему сообщается вращательное движение, заданное тангенциальным направлением щелей. Возникающее при этом поле центробежных сил обусловливает возникновение зоны разрежения в центральной приосевой части контактного патрубка 1. Полученная разность давлений между центральной приосевой частью контактного патрубка 1 и пространством опорного полотна 2 с жидкостью обусловливает поступление жидкости с опорного полотначерез патрубок 5 ввода жидкости в завихритель 4. Попадая в центральную часть завихрителя 4, жидкость за счет действия турбулизированного газового потока поступает в полость завихрителя и начинает восходящее прямоточное движение вдоль лопастей завихрителя 4 в виде пленки и отдельных струй по каждой лопасти завихрителя. При этом газовый поток, движущийся в щелевых зазорах между лопастями завихрителя 4, диспергирует восходящую пленку жидкости и срывает с кромок лопастей образующиеся капли. Количество и размер капель, скорость их течения определяются нагрузкой по газу, рабочими условиями, составом газовой и жидкой фаз. В зоне срыва капель образуется развитая межфазная поверхность, что обеспечивает более эффективное взаимодействие потоков жидкости и газа. Учитывая большое количество лопастей в завихрителе, в отличие от SU 498009, зона распыления (дробления) жидкости распределяется в объеме завихрителя более равномерно, что позволяет обеспечить более равномерное распределение частиц жидкости (капель) в потоке газа и более эффективный их контакт. Движение газожидкостного потока в контактном патрубке 1 выше завихрителя 4 приводит к сепарации дисперсных частиц. Частицы промывочной жидкости с примесями за счет действия центробежных сил отбрасываются к стенкам контактного патрубка 1, коалесцируют и в виде жидкостной пленки поднимаются вверх по внутренней поверхности контактного патрубка 1 до съемника жидкости 3, где с частью газового потока попадают в кольцевой канал истечения жидкости. По инерции жидкость стекает по наружной поверхности контактного патрубка 1 и смешивается с жидкостью на полотне 2. Таким образом, происходит непрерывная циркуляция жидкости в контактном устройстве без дополнительных технических средств. Часть газа, пройдя кольцевой канал съемника 3 жидкости, меняет направление движения к выходу контактного патрубка. Основной газовый поток, занимающий основной объем контактного патрубка 1, по мере движения вверх освобождается от дисперсных частиц и покидает контактный патрубок через его верхнее выходное отверстие. За счет более обтекаемой формы лопастей, малого угла их расположения относительно оси контактного патрубка, сохранения живого сечения для прохода газа и вследствие сохранения осевой составляющей скорости газа достигается более низкое гидравлическое сопротивление для потока газа, что обеспечивает высокую удельную производительность по газу, высокую интенсивность промывки.