АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к химической, газовой, лесоперерабатывающей, машиностроительной и другим отраслям промышленности, в частности к технологическому оборудованию для очистки промышленных паров (газов) от различных механических и химических примесей в пенном слое с последующей конденсацией очищенного пара (газа).
В настоящее время одной из актуальных задач является создание аппаратов для проведения тепломассообменных процессов, позволяющих уменьшить вредное воздействие на окружающую среду промышленных отходов путем улавливания органических и механических примесей водой с доведением их концентраций до допустимых значений и последующей конденсацией очищенного пара. Наиболее эффективными аппаратами, обеспечивающими очистку вторичного пара после обработки древесины от органических и механических примесей с последующей конденсацией очищенного пара до требуемых параметров, являются прямоточные пенные аппараты с одной или несколькими ступенями. Очистка паров происходит в подвижной пене, образуемой путем диспергирования жидкости потоком обрабатываемого пара, создающего наибольшую поверхность контактирования фаз в единице объема.
Известен аппарат для проведения тепломассообменных процессов, описанный в заявке WO № 01/60498 А 2, кл. B 01 D 47/04, опубл. 23.08.2001г., содержащий вертикальный цилиндрический корпус, тарелку, разделяющей корпус на паровую камеру для подвода загрязненного газа и рабочую камеру для выхода очищенного газа, с образованием в последней слоя пены и жидкости, контактную трубу с отражателем в ее верхней части, размещенную в центре тарелки, патрубки для подвода и отвода пара.
Однако функциональные возможности известного аппарата ограничены из-за того, что он обеспечивает очистку водяного пара только определенной концентрации и не обеспечивает регулирование степени очистки чистого конденсата и очищенного пара за счет регулирования температуры и расхода охлаждающей жидкости. Кроме того, расположение подводящих патрубков ниже
уровня тарелки в паровой камере, приводит к уменьшению расхода охлаждающей жидкости из-за гидростатического давления слоя жидкости.
Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является аппарат для проведения тепломассообменных процессов в системе пар (газ)-жидкость в прямоточном режиме по а.с. SU № 839094 А, кл. B 01 D 3/26, опубл. 07.12.86г., содержащий вертикальный цилиндрический корпус, тарелку, с отверстием по центру, над которым размещена контактная труба, завихритель с криволинейными лопатками, закрепленный на верхней части контактной трубы, патрубки для подвода пара (газа), охлаждающей жидкости, отвода загрязненной примесями жидкости и выхода очищенного пара (газа).
Функциональные возможности известных аппаратов также ограничены из-за того, что невозможно обеспечить процесс конденсации водяного пара с получением чистого конденсата, а также регулирование степени очистки получения чистого конденсата за счет регулирования температуры и расхода охлаждающей жидкости. Это связано с тем, что процессы конденсации и очистки имеют разные величины расхода и температуры охлаждающей жидкости и скорости протекания процесса.
Предлагаемым изобретением решается задача расширения функциональных возможностей устройства за счет осуществления процесса конденсации водяного пара с получением чистого конденсата и регулирования степени очистки чистого конденсата и очищенного пара за счет регулирования температуры и расхода охлаждающей жидкости.
Поставленная задача решается тем, что аппарат для проведения тепло-массообменных процессов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, тарелку с отверстием по центру, над которым размещена контактная труба, завихритель с криволинейными лопатками, закрепленный на верхней части контактной трубы, патрубки для подвода пара, охлаждающей жидкости, отвода загрязненной примесями жидкости и выхода очищенного пара, аппарат снабжен дополнительно не менее одной аналогичной тарелкой с расположенной на ней контактной трубой с завихрителем с криволинейными лопатками, закрепленным в его верхней части, патрубками для подачи охлаждающей жидкости и отвода жидкости с выпавшим чистым конденсатом, размещенными выше уровня дополнительной тарелки, при этом каждая контактная труба снабжена патрубками подвода охлаждающей жидкости.
Кроме того патрубки подвода охлаждающей жидкости расположены радиально по окружности контактной трубы ниже уровня охлаждающей жидкости.
Отличительными признаками предлагаемого аппарата для проведения тепломассообменных процессов от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является снабжение аппарата дополнительно не менее одной аналогичной тарелкой с расположенной на ней контактной трубой с завихрителем с криволинейными лопатками, закрепленным в его верхней части, и патрубками для подачи охлаждающей жидкости и отвода жидкости с выпавшим чистым конденсатом, размещенными выше уровня дополнительной тарелки, при этом каждая контактная труба снабжена патрубками подвода охлаждающей жидкости, расположенными радиально по ее окружности ниже уровня охлаждающей жидкости.
Благодаря наличию этих признаков устройство состоит из двух и более уровней, на каждом из которых используется один и тот же узел с раздельным подводом к каждой дополнительной рабочей камере охлаждающей жидкости и отводом избытка жидкости из них. Подача жидкости в каждую контактную трубу происходит через патрубки, которые расположены радиально по ее окружности ниже уровня охлаждаемой жидкости.
Такое конструктивное исполнение аппарата обеспечивает не только очистку загрязненного водяного пара от механических и органических примесей, но и конденсацию очищенного водяного пара с получением чистого конденсата и очищенного пара заданных параметров, т.е. обеспечивается возможность регулирования степени очистки чистого конденсата и очищенного пара за счет регулирования температуры и расхода охлаждающей жидкости. Паровой поток подвергается очистке на каждой ступени охлаждающей жидкостью, подаваемой на тарелки. Пар, проходя с высокой скоростью через охлаждающую жидкость, подаваемую в трубы, превращает ее в подвижную сильно турбулизированную пену. В такой гидродинамической обстановке во много раз возрастает поверхность взаимодействия фаз и все тепловые и химические процессы идут до конца (до равновесия как теплового, так и химического). При этом нерастворимые в воде твердые и жидкие примеси улавливаются в одной ступени до 99% от входной концентрации.
Регулирование потока и температуры охлаждающей жидкости в камере (II) аппарата позволяет обеспечить получения конденсации водяного пара заданных параметров. По загрязненности конденсата, выходящего из верхней камеры (III), регулируется поток и температура охлаждающей жидкости в камере (II) аппарата для обеспечения необходимой степени очистки. При одинаковой температуре охлаждающей жидкости перепад температур в камере (II) больше, чем в верхней камере (III), в то время как процессы, проходящие в камере (II) - улавливание механических примесей и адсорбция газов с температурой конденсации выше температуры конденсации пара - не требуют такого значительного перепада температур, как в верхней камере (III) для конденсации пара. Это позволяет при регулировании температуры и расхода охлаждающей жидкости в камере (II) частично добавлять в нее конденсат из верхней камеры (III). Полученный конденсат из камеры (III) может в дальнейшем использоваться для технологических нужд.
Радиальное расположение патрубков подачи охлаждающей жидкости по окружности каждой контактной трубы ниже уровня этой жидкости, через которую движется очищаемый пар, позволяет в более широком пределе регулировать расход охлаждающей жидкости.
На фиг.1 - представлен продольный разрез аппарата, общий вид;
На фиг.2 - представлено расположение патрубков по окружности каждой контактной трубы.
Аппарат для проведения тепломассообменных процессов, в системе газ-жидкость в прямоточном режиме, содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с последовательно установленными в нем ступенями очистки и конденсации пара. Количество ступеней очистки должно быть не менее двух. Пример конкретного выполнения включает две ступени очистки. Внутри корпуса расположены по высоте две перегородки в виде тарелок 2 и 3 (фиг.1), разделяющих полость на паровую камеру I и две рабочие камеры II и III с отверстием по центру в каждой. Над отверстием каждой тарелки 2 и 3 установлена контактная труба 4 и 5 соответственно. На верхней части каждой трубы 4 и 5 закреплен завихритель в виде центробежного сепаратора с криволинейными лопатками 6 и 7 соответственно. По окружности каждой контактной трубы 4 и 5 ниже уровня охлаждающей жидкости врезаны патрубки 8 (фиг.2) подачи охлаждающей
жидкости. В паровую камеру I врезан патрубок 9 подвода грязного паровоздушного потока и патрубок 10 отвода жидкости, конденсирующейся в камере I. В рабочую камеру II над тарелкой 2 в корпусе 1 врезан патрубок 11 подачи чистой охлаждающей жидкости и патрубок 12 выхода грязного конденсата. Аналогично, в рабочей камере III над тарелкой 3 на корпусе 1 врезан патрубок 13 подачи чистой охлаждающей жидкости и патрубок 14 отвода чистого конденсата. Патрубки 11 и 13 снабжены самостоятельным подводом чистой охлаждающей жидкости. В верхней части корпуса 1 имеется патрубок 15 выхода очищенной паровоздушной смеси в атмосферу. Корпус 1 снабжен люками 16 для осмотра и очистки рабочих камер II и III. На корпусе аппарата установлены штуцера для установки контрольно-измерительных приборов - датчиков разности давления и термопреобразователей сопротивления (на чертеже не показаны).
Аппарат для проведения тепломассообменных процессов работает следующим образом:
Паровоздушная смесь, загрязненная механическими примесями, поступает через патрубок 9 в паровую камеру I корпуса 1 и далее в рабочую камеру П. При входе в камеру I, имеющую больший объем, чем подводящий трубопровод, скорость движения потока пара уменьшается и изменяется его направление при входе в контактную трубу 4 тарелки 2. Эти явления приводят к выпадению из потока крупных примесей и капель конденсата, которые из-за инерционности оседают на стенках камеры I, стекают по ним и выводятся через патрубок 10. Затем пар, за счет уменьшения проходного сечения контактной трубы 4, с высокой скоростью поступает в трубу 4 и контактирует с жидкостью, поступающей сюда через сливные патрубки 8. Жидкость диспергируется потоком пара и воздуха с образованием высокотурбулизированного газожидкостного слоя, в котором происходит интенсивный теплообмен между паром и жидкостью. Газа-жидкостный слой представляет собой подвижную газо-жидкостную эмульсию или пену с сильно развитой и постоянно меняющейся поверхностью контактирования фаз, которая, поднимается по трубе 4 вверх и попадает в центробежный сепаратор 6, закручивается между его лопастями и с большой скоростью отбрасывается центробежными силами на внутреннюю стенку рабочей камеры П. За счет центробежного эффекта закрученная жидкость сепарируется, отделяется от
пара, стекает по стенке камеры вниз и собирается на поверхности охлаждающей жидкости. Избыток охлаждающей жидкости вместе с механическими примесями и сконденсировавшимися парами примесных газов удаляется через патрубок 12. Далее пар из рабочей камеры II проходит через отверстие тарелки 3 и попадает в контактную трубу 5, взаимодействует с охлаждающей жидкостью, поступающей через патрубки 8 трубы 5. Процесс очистки паровоздушной смеси в камере III аналогичен процессу, происходящему в рабочей камере II. В турбулентном потоке снова образуется пена с сильно развитой и постоянно меняющейся поверхностью контактирования фаз, которая далее проходит через лопасти сепаратора 7, закручивается и отбрасывается к внутренней стенке рабочей камеры III. В связи с тем, что температура пара в рабочей камере III ближе к температуре конденсации, попадание в него при интенсивном перемешивании охлаждающей жидкости приводит к ее активации. Чистый конденсат вместе с излишками поступающей воды отводится через патрубок 14, а очищенный таким образом и не сконденсировавшийся пар выводится через патрубок 15. Подпитка аппарата свежей охлаждающей жидкостью на каждой ступени постоянно осуществляется через патрубки 11 и 13. Изменением величины расхода и температуры охлаждающей жидкости регулируется степень очистки пара. Качество очистки пара определяется по составу конденсата, выходящего из рабочей камеры III через патрубок 14. Изменением величины расхода и температуры охлаждающей жидкости регулируется количество выходящего из аппарата остаточного пара, которое определяется по его влагосодержанию.
3
3
3
3
3
Разработан рабочий проект аппарата (скруббера) пенного слоя, позволяющего очистить вторичный пар после обработки древесины от органических и механических примесей с частичной конденсацией до требуемых параметров. Расчеты показали, что нерастворимые в воде твердые примеси (смоляные кислоты, экстрактивы, древесное волокно) и жидкие примеси улавливаются в одной ступени до 99% от входной концентрации. Степень улавливания растворимых в воде примесей напрямую зависит от температуры кипения примесей и следовательно от температуры и концентрации получаемых в процессе очистки растворов. Так при подаче в аппарат паровоздушной смеси, образуемой при сжигании отходов древесины с концентрацией уксусной и муравьиной кислоты по 80 мг/м, этанола 60 мг/м, смоляной кислоты 15 мг/м, мелкодревесного волокна до 100 мг/м, экстрактивных веществ 60 мг/м, на выходе из аппарата паровоздушной
3
3
3
3
3
3
смеси концентрация уксусной кислоты составила 0,5 мг/м, муравьиной - 4 мг/м, этанола - 5 мг/м, экстрактивных веществ 0,1 мг/м, и мелкой древесины 0,5 мг/м, смоляных кислот - 0,05 мг/м.
Таким образом, предлагаемые аппараты являются наиболее высокоэффективными в качестве очистителей промышленных паров и токсичных компонентов из паровой или газовой среды от различных механических и химических примесей с частичной конденсацией до требуемых параметров. Разработан рабочий проект аппарата, проведены расчеты по очистке пара, получаемого при сжигании отходов древесины.