ВИХРЕ-СИТЧАТОЕ КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ТЕПЛОМАССООБМЕННОГО АППАРАТА

Вихре-ситчатое контактное устройство тепломассообменного аппарата относится к устройствам для проведения процессов тепломассообмена в системах газ-жидкость, газ-жидкость-жидкость и может найти применение в процессах абсорбции, десорбции, ректификации с целью повышения эффективности процесса тепломассообмена.
Известны тепло-массообменные аппараты с ситчатыми тарелками, состоящие из вертикального цилиндрического корпуса с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число мелких отверстий. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки. Нижние концы трубок погружены в стаканы, находящиеся на лежащих ниже тарелках, и образуют гидравлические затворы [1].
Основным недостатком ситчатых тарелок, является стекание жидкости (провал) с тарелки при снижении расхода газа (пара), проходящего через отверстия перфорации, ниже минимального значения. Так же при увеличении расхода газа (пара), проходящего через отверстия перфорации выше определенного значения происходит накопления слоя жидкости на тарелке и возникает такое явление как брызгоунос. Брызгоунос снижает общую эффективность тарелки так как снижается общая разделяющая способность по колонне в целом, поскольку нарушается условие противотока газа (пара) и жидкости по колонне. Ситчатые тарелки эффективно работают только при определенном диапазоне режимов движения газа (пара) и жидкости.
Известна массообменная вихревая тарелка, состоящая из завихрителя, выполненного из радиальных пластин, частично перекрывающих друг друга и, расположенного в центре стакана-гидрозатвора с переливной трубкой, на которой установлено направляющее кольцо [2].
Известная вихревая тарелка в своей компоновке содержит завихритель собранный из радиальных пластин, а на периферии содержит карманы для сбора жидкости, такое конструктивное решение не обеспечивает устойчивую работу вихревой тарелки в широких диапазонах режимов газа (пара) и жидкости. При малых расходах газа (пара) возможен провал жидкости на нижележащую ступень контакта, а при увеличении расхода газа (пара) происходит формирование газо-жидкостного (пенного) кольцевого течения на стенках корпуса где вся межфазная поверхность под действием центробежных сил разделяется на газовую (паровую) и жидкую фазу. Потоки сепарируются, газ (пар) устремляется на вышележащую тарелку, а жидкость частично тормозиться на стеке (касательные напряжения в зоне стенка-жидкость, равны нулю, условие прилипания жидкости), частично стекает на нижележащую тарелку. Коэффициенты массоотдачи от газа (пара) к жидкости в таких условиях не высоки из-за малых значений скоростей относительного движения газа (пара) и жидкости.
Наиболее близким аналогом является контактное устройство для тепломассообменых аппаратов включающее вихревую тарелку, которая состоит из двух плотно прижатых друг к другу профилированных листов, повернутых относительно друг друга на величину прорези [3].
Так как конструкция тарелки содержит два профилированных листа повернутых относительно друг друга на величину прорези и конструктивные элементы одного листа входят в зацепление с конструктивными элементами другого листа, в такой конструкции сложно обеспечить одинаковые площади каналов для прохода газа (пара), учитывая тепловые деформации листов относительно друг друга, каждая контактная тарелка будет иметь свое индивидуальное гидравлическое сопротивление. Так же вся межфазная поверхность в кольцевом режиме течения при достижении критической скорости газа uк на выходе из щели представляет собой уже отсепарированные жидкую пленку (часть которой заторможена за счет прилипания к стенке корпуса) и пену (дисперсия газа в жидкости) внутри которой коэффициенты массоотдачи в жидкую фазу не высоки из-за малых скоростей относительного движения газа (пара) и жидкости. Как установлено авторами данной конструкции, переход из кольцевого режима в пленочный для ступени завихрителем осуществляется при uk/un≈0,5. Указанный параметр и является диапазоном рабочей скорости контактного устройства тепломассообменного аппарата. Что подтверждает узкий однорежимный диапазон устойчивой работы данного контактного устройства.
Техническим результатом, достигаемым при использовании устройства, является повышение эффективности работы вихре-ситчатого контактного устройства за счет увеличения пропускной способности и снижения брызгоуноса.
Указанный технический результат достигается тем, что вихре-ситчатое контактное устройство тепломассообменного аппарата содержит цилиндрический корпус, в котором установлены аксиальный завихритель, ситчатая тарелка с центральной переливной трубкой, стакан гидрозатвора, при этом аксиальный завихритель размещен между полотном ситчатой тарелки и стаканом гидрозатвора на расстоянии от 0,6 до 1,5 диаметров цилиндрического корпуса от тарелки. На полотне ситчатой тарелки напротив сливных щелей переливной трубки закреплены отбойные пластины изогнутые навстречу вращению газожидкостного потока, а по периметру ситчатой тарелки закреплено уплотнение, примыкающее к цилиндрическому корпусу.
Вихре-ситчатое контактное устройство содержит цилиндрический корпус 1, аксиальный завихритель 2, ситчатую тарелку 3 с центральной переливной трубкой 4, снабженной по концам участками с наружной резьбой 5, и внутренней резьбой 6, стакан гидрозатвора 7, уплотнение тарелки 8. Аксиальный завихритель 2, выполненный из листового металла, размещен под полотном ситчатой тарелки 3, и над стаканом гидрозатвора 7. На полотне ситчатой тарелки 3, напротив сливных щелей переливной трубки 4, размещены отбойные изогнутые навстречу вращению газожидкостного потока пластины 9, образующие каналы для захода жидкой фазы в переливную трубку. Пластины 9 способствуют удалению жидкой фазы из вращающегося газо-жидкостного потока с полотна ситчатой тарелки 3. По периметру ситчатой тарелки 3 закреплено уплотнение 8, примыкающее к цилиндрическому корпусу 1.
Устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 показаны два вихре-ситчатых контактных устройства внутри условно прозрачного корпуса 1, с различными вариантами взаимного расположения аксиального завихрителя 2, и ситчатой тарелки 3. Диапазоны взаимного расположения были определены на натурной модели ректификационной колонны в результате стендовых испытаний.
Участки переливной трубки 4, с наружной резьбой 5, и внутренней резьбой 6, служат для взаимного присоединения контактных устройств по оси колонны, при этом над полотном ситчатой тарелки 3, размещен аксиальный завихритель 2, и стакан гидрозатвора 7, вышележащей тарелки. В результате натурных стендовых испытаний был определен диапазон оптимальных расстояний между полотном ситчатой тарелки 3, и аксиальным завихрителем 2, для обеспечения устойчивой работы контактного устройства в широком диапазоне нагрузок по газовой (паровой) и жидкой фазе, составляющий от 0,5 до 1 диаметра цилиндрического корпуса 1. На самом, отдельно взятом контактном устройстве, диапазон расстояний от аксиального завихрителя 2 до ситчатой тарелки 3 может быть от 0,6 до 1,5 диаметров цилиндрического корпуса 1. Это позволяет получить диапазон расстояний между ситчатыми тарелками вышележащего и нижележащего контактного устройства, в пределах от 1,2 до 2,5 диаметров цилиндрического корпуса 1.
На фиг. 2 показан разрез А-А устройства. На фиг. 3 показан разрез С-С устройства.
На Фиг. 4 изображена фотография режимов течения при Vк до 2 м/сек.
На Фиг. 5 изображена фотография режимов течения при Vк=2,5-3 м/сек.
Предлагаемое вихре-ситчатое контактное устройство, через которое снизу вверх проходит газовая фаза и сверху вниз по переливной трубке 4, жидкая фаза, обеспечивая таким образом принцип общего противотока фаз по колонне, работает в прямоточном режиме. Газ (пар) проходя через перфорацию ситчатой тарелки 3 контактирует с жидкостью стекающей из стакана гидрозатвора 7 на полотно тарелки 3, образуя слой пены и брызг различной высоты в зависимости от режима работы колонны, средней скорости газа (пара) по сечению колонны Vк, скорости газа (пара) в отверстиях перфорации Vотв. и количества жидкости на полотне тарелки 3.
При малых значениях Vк (до 0,5 м/сек) и Vотв. (7-8 м/сек) жидкость не удерживается на полотне тарелки 3, и происходит провал жидкости на нижележащую ступень контакта. В этом режиме вся межфазная поверхность представлена в виде пленки жидкости прилипшей к лопаткам аксиального завихрителя 2 и полотну тарелки 3. Режим низкой эффективности тепломассообмена происходит из-за малой площади межфазной поверхности, низких скоростей движения пленки жидкости и потока газа (пара).
При увеличении Vк до 0,7 м/сек., a Vотв. до 9 м/сек. происходит накопление жидкости на полотне тарелки 3 и образование слоя пены и брызг, причем брызги долетая до аксиального завихрителя 2, эффективно сепарируются от газового (парового) потока и не долетают до полотна вышележащей ситчатой тарелки 3. Межфазная поверхность в этом режиме представлена слоем пены, брызгами и пленкой жидкости осевшей на поверхности аксиального завихрителя 2. При дальнейшем увеличении Vк до 2 м/сек., Vотв. до 20-25 м/сек. происходит захлеб жидкой фазы в пространстве между полотном ситчатой тарелки 3 и аксиального завихрителя 2, накопление слоя жидкости на самом завихрителе 2 и формирование вихревого газо-жидкостного кольца выше аксиального завихрителя 2 на корпусе колонны 1. Из-за возросших скоростей газа (пара) Vотв. происходит интенсивная бомбардировка каплями жидкости нижней поверхности завихрителя 2 с образованием циркулирующих пленочных вихрей вокруг каждой лопатки аксиального завихрителя 2.
В этот момент межфазная поверхность представлена не только слоем барботажной пены и брызг, но и циркуляционным пленочным течением с высокой турбулизацией пленки жидкости на поверхности лопаток аксиального завихрителя 2, за счет бомбардировки каплями жидкости и выросшими скоростями газа (пара) в щелях между лопатками аксиального завихрителя 2.
Причем именно из за возросших скоростей в щелях аксиального завихрителя 2, усиливается тангенциальная составляющая скорости газового (парового) потока и как следствие, сепарационный эффект, отсутствие брызг уносимых газовым (паровым) потоком на вышележащее контактное устройство, находящееся на расстоянии от 0,5 до 1,5 калибров относительно диаметра корпуса контактного устройства.
При дальнейшем увеличении Vк до 3, м/сек., Vотв. до 33-37 м/сек. происходит увеличение высоты газожидкостного вращающегося слоя над аксиальным завихрителем 2 и подкрутка барботажного слоя на полотне ситчатой тарелки 3. В этом режиме контактное устройство имеет максимальную удерживающую способность по жидкой фазе и для обеспечения принципа противотока по колонне и облегчения удаления жидкости на нижележащую ступень контакта, становятся эффективными изогнутые отбойные пластины 9, размещенные на полотне ситчатой тарелки 3, напротив сливных щелей переливной трубки 4. Отбойные пластины 9 имеют свой изгиб навстречу направлению вращения газожидкостного потока, таким образом улучшая условия для стекания жидкости на нижележащую ступень контакта.
В теории и практике тепломассообменных процессов установлено, что при турбулентном массопереносе основное сопротивление массообмену сосредоточено в тонком слое примыкающем к границе раздела фаз. Таким образом, создание условий для увеличения скоростей движения контактирующих фаз относительно друг друга и непрерывное обновление межфазной поверхности в совокупности со снижением брызгоуноса способствует повышению эффективности вихре-ситчатого контактного устройства.
Можно наблюдать синергизм взаимодействия ситчатой тарелки 3 и аксиального завихрителя 2 в широком диапазоне нагрузок по газовой (паровой) и жидкостной фазе. Наличие в вихре-ситчатом контактном устройстве аксиального завихрителя 2, расположенного под полотном ситчатой тарелки 3 и над стаканом гидрозатвора 7, с одной стороны при малых скоростях газовой фазы способствует эффективной сепарации брызг жидкой фазы идущих с нижележащей тарелки и увеличению разделительной способности по колонне, а с другой стороны при значительном увеличении скоростей газовой (паровой) фазы и накоплении на поверхности лопаток аксиального завихрителя 2 значительного количества жидкой фазы происходит увеличение удерживающей способности контактного устройства, увеличение межфазной поверхности и увеличение перемешивания и обновление в тонких слоях жидкости на границе раздела фаз. Один конструктивный элемент (аксиальный завихритель 2) усиливает эффективность и расширяет диапазон нагрузок для другого конструктивного элемента (ситчатая тарелка 3), а так же ситчатая тарелка 3, создает условия для орошения жидкой фазой аксиального завихрителя 2, превращая его в высокоэффективное тепломассообменное контактное устройство. Источники информации:
1. А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. - 7-е изд., 1961 г., стр. 505.
2. Авторское свидетельство №SU284965 Ф.А. Мусташкин, Н.А. Никлаев, Б.М. Азизов. Массообменная вихревая тарелка, 29.10.1970.
3. Патент RU2355457 «Контактное устройство для тепломассообменных аппаратов», публ. 20.05.2009 г.