Массообменный аппарат

Предлагаемая полезная модель  относится к гетерофазным химическим реакторам, выпарным и массообменным аппаратом и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, биотехнологической, лакокрасочной и других отраслях промышленности, а также  в экологических  процессах очистки жидких и твердообразных отходов от вредных примесей.
Известна конструкция конвертора с кипящим слоем катализатора, состоящего из цилиндрического корпуса с контактной зоной в нижней части,  газораспределительной решетки, встроенных в корпус теплообменников  с патрубками входа и выхода воздуха, пара, конденсата и жидкой реакционной  массы, а также верхней части конвертора с фильтрами и имеющей больший диаметр, чем диаметр контактной зоны. Фильтры изготовлены из перфорированных керамических или алюминиевых трубок, на которых находятся несколько последовательных слоев стеклоткани или стекловаты (В.П. Перевалов, Г.И. Колдобский. Основы проектирования и оборудование производств тонкого органического синтеза. М: Химия, 1997, 288с., стр.225 и 226).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся сложность и длительность регенерации стеклоткани или стекловаты в фильтрах, улавливающих тонкую пыль, капли или пену реакционной смеси, истирающихся гранул и зерен катализатора, Это уменьшает основное время работы и снижает производительность.
Известна конструкция коллектора Петерсона для очистки газа и паров от туманов кислот, масел, а также мелких твердых частиц (например, красителей и пигментов), представляющая собой две камеры, разделенные перфорированной решеткой, в отверстиях которой вставлены спиральные пружины с витками, прижатыми друг к другу (типа сжатая пружина). Для смачивания частиц, находящихся в запыленным воздухе, в первой камере установлен струйный насос с форсункой для подачи сжатого воздуха (А.С.Тимонин. Инженерно-экологический справочник. Том 1 – Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2003, – 917с.: стр. 452).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность из-за высокого гидравлического сопротивления, связанного с малой величиной зазоров, через которые фильтруется очищаемый газ, пена или газожидкостная смесь.
Известны различные конструкции брызгоотделителей для выпарных аппаратов. Например, жалюзийный брызгоотделитель состоит из корпуса, внутри которого сделаны вертикальные прорези, стенки которых отогнуты наружу, а корпус прикреплен к опорному кольцу и установлен герметично на обечайке сепарационной зоны. Известны также конструкции поверхностных брызгоотделителей, состоящих из опорной косынки, на которой размещен пакет сеток. Известны конструкции центробежных брызгоотделителей, состоящие из цилиндрического корпуса с входными окнами, отбойником и штуцерами выхода вторичного пара и слива раствора (А.С. Тимонин. Инженерно-экологический справочник. Том 1 – Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2003, – 917с.: стр. 518-520).
Все описанные конструкции брызгоотделителей выпарных аппаратов имеют существенный недостаток, связанный с большими затратами времени на очистку их рабочих поверхностей от термических отложений, накипи, солевого камня, ржавчины, продуктов термической деструкции. Это уменьшает основное время работы и приводит к снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является конструкция центробежного сепаратора, содержащего вертикальный цилиндрический корпус, тангенциальное устройство подачи очищаемого потока, центральную газоотводящую трубу, патрубки подвода и отвода жидкости, отсекающую тарелку с осевым отверстием, расположенную в нижней части корпуса, отражатель, установленный над осевым отверстием отсекающей тарелки и с зазором по отношению к ней, при этом отражатель и отсекающая тарелка выполнены в виде шаровых сегментов, обращенных плоскостью сечения вниз, а к центральной газоотводящей трубы прикреплена цилиндрическая пружина, на которой свободно подвешены жестко соединенные между собой ребрами отражатель и отсекающая тарелка, причем коэффициент упругости цилиндрической пружины определяется выражением
где К – коэффициент упругости пружины, н/м;
М – масса отсекающей тарелки, кг;
m – масса отражателя, кг;
с– скорость звука в очищаемом газе, м/с;
h – высота корпуса, м.
(Полезная модель к патенту РФ №155459, В01D9/45/12, 2015)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится  снижение производительности при образовании пены и заполнении ее пузырьками газожидкостного потока тангенциального устройства центробежного сепаратора, Это приводит к необходимости периодической остановки работы и очистки аппарата от пены.
Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменного аппарата является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что  массообменный аппарат, содержащий крышку, корпус, в котором осесимметрично установлен вертикальный цилиндрический центробежный сепаратор с тангенциальным устройством подачи очищаемого потока и центральной газоотводящей трубой, патрубки подвода и отвода жидкости, отсекающую тарелку, отражатель, выполненный в виде шарового сегмента, обращенный плоскостью сечения вниз, цилиндрическую пружину, прикрепленную к центральной газоотводящей трубе, на которой свободно подвешены отражатель и отсекающая тарелка, при этом коэффициент упругости цилиндрической пружины определяется выражением
где К – коэффициент упругости пружины, н/м;
М – масса отсекающей тарелки, кг;
m – масса отражателя, кг;
С– скорость звука в очищаемом газе, м/с;
h – высота корпуса, м,
отличающийся тем, что края шарового сегмента отражателя имеют диаметр равный диаметру корпуса центробежного сепаратора и жестко соединены с отсекающей тарелкой, выполненной в виде кольца с положительной плавучестью и с прикрепленной в его верхней части сеткой, причем наружный диаметр кольца отсекающей тарелки определяется выражением
к
D/D=0,92÷0,96,                                                  (2)
к
где D и D – соответственно, наружный диаметр кольца и диаметр аппарата, м.
Равенство диаметра края шарового сегмента диаметру корпуса центробежного сепаратора предупреждает проскок пенящегося газожидкостного потока в корпус центробежного сепаратора и обеспечивает свободное стекание капель по боковой стенки корпуса вниз, а резонансная вибрация с большой амплитудой при выполнении условия (1) тиксотропно  разжижает стекающие капли с уменьшением их вязкости и предупреждает их прилипание к боковой стенке корпуса и наружной сферической поверхности отражателя. Это увеличивает время работы, снижает время простоя и тем самым способствует росту производительности.
Выполнение отсекающей тарелки в виде кольца с положительной плавучестью обеспечивает плавание этого кольца на поверхности жидкости при колебаниях ее уровня в аппарате, а жесткое закрепление в верней части этого кольца сетки предупреждает отрыв капель с поверхности жидкостей, особенно склонных к пенообразованию, когда рН>7 (щелочная среда), предупреждает образование пены и ее накопление в аппарате. Это увеличивает эффективность очистки газа в тангенциальном устройстве подачи газового потока, уменьшает унос жидкости вместе с уходящим газом в центральной газовой трубе, что в целом увеличивает производительность по жидкости.
к
Выполнение наружного диаметра кольца D с относительным размером по отношению к диаметру аппарата D меньшим заявляемого нижнего предела в выражении (2) и равного 0,92, приводит к увеличению зазора между стенкой аппарата и наружной стенкой кольца, а значит увеличению проскока пенящегося потока газа в не сетки отсекающей тарелки, что увеличивает унос жидкости, образующей стоки пузырьков пены. Это снижает производительность по жидкости.
к
Увеличение наружного диаметра кольца D по отношению к стенке аппарата D выше заявленного верхнего предела может привести к перекосу и заклиниванию этого кольца на стенке аппарата при раскачивании отсекающий тарелки и отражателя на цилиндрической пружине в резонансном режиме работы с высокой амплитудой. Это потребовало бы остановки работы и ремонта, что снизило бы время основной работы и производительность.
На чертеже изображен общий вид предлагаемой конструкции массообменного аппарата.
Он состоит из цилиндрического корпуса 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 жидкости, съемной крышки 4, на которой осесимметрично с  массообменным аппаратом закреплен вертикальный цилиндрический центробежный сепаратор 5, содержащий тангенциальное устройство подачи очищаемого потока 6, центральную газоотводящую трубу 7, отражатель 8 массой m, выполненный в виде шарового сегмента, обращенного плоскостью сечения вниз и имеющего диаметр края равный диаметру сепаратора 5. Края шарового сегмента отражателя 8 жестко соединены с отсекающей тарелкой массой M, выполненной в виде кольца 9 с положительной плавучестью и с прикрепленной к его верхней части сеткой 10. Отношение диаметра кольца 9 отсекающей тарелки и диаметра аппарата 1 определяется выражением (2).
К центральной газоотводящей трубе 7 прикреплена верхняя часть пружины 11, на которой свободно подвешены отражатель 8 и отсекающая тарелка, выполненная в виде кольца 9 и сетки 10, причем упругость цилиндрической пружины 11 определяется выражением (1), обеспечивающим резонансные колебания отражателя 8 и отсекающей тарелки с высокой амплитудой.
Если в жидкости идет химическая реакция с выделением газовой (паровой) фазы и газ или пар дополнительно не подаются, то необходимо подавать газ или воздух для барботажа жидкости в аппарат 1. Для этого в нижней части аппарата устанавливают барботер 12, например, в виде цилиндрической трубки с отверстиями, свернутой в плоскую спираль.
Массообменный аппарат работает следующим образом. Исходную жидкость (реакционную массу) заливают в аппарат 1 по патрубку 2 при закрытом патрубке 3, и по патрубку барботера 12 подают реакционный газ (воздух), барботируя им жидкость в аппарате 1. Газовые пузырьки поднимаются вверх, проходят сквозь отверстия в сетке 10, поднимаются еще выше и, проходя через щели тангенциального устройства 6 центробежного сепаратора 5, за счет резкого изменения скорости по величине и направлению разделяются на капельки жидкости, частицы дисперсной фазы и очищенный поток, который выходит наружу через газоотводящую трубу 7. Уловленные капли и частицы, отброшенные центробежной силой в щелях тангенциального устройства 6  к внутренней стенке корпуса центробежного сепаратора 5, оседают под действием силы тяжести  вниз на поверхность сферического сегмента отражателя 8, а затем с его поверхности на сетку 10. Очищенный газовый поток, двигаясь внутри цилиндрического корпуса 5 высотой h создает колебания частотой ν, равной частоте собственных колебаний пружинного маятника, образованного отражателем 8 и кольцом 9 с сеткой 10.
Резонансный режим колебаний отражателя 8 и кольца 9 с сеткой 10 с большой амплитудой подавляет образование пены и унос капель жидкости с ее поверхности при барботаже газа сквозь ячейки сетки 10 (Г.А. Кардашев.  Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М: Химия, 1990, 208с., стр.126, И.А. Городецкий, А.А. Васин, М.В. Олевский, П.А. Луканов, Вибрационные массообменные аппараты. М: Химия, 1980, 192с., стр.101). После окончания работы жидкость удаляется из аппарата по патрубку 3, а подача газа в барботер 12 прекращается.
Таким образом, установка шарового сегмента отражателя 8, имеющего диаметр края, равный диаметру центробежного сепаратора 5, и жесткое соединение этого края с отсекающей тарелкой, выполненной в виде кольца 9 с положительной плавучестью и с прикрепленной к его верхней части сеткой 10, а также выполнение наружного диаметра кольца 9 отсекающей тарелки определяемого выражением (2), позволяет уменьшить унос капель жидкости с ее поверхности, подавить пенообразование в ячейках сетки 10, уменьшить  возможность образования отложений на поверхностях центробежного сепаратора 5, отражателя 8 и сетки 10 за счет тиксотропного разрушения структуры уловленных частиц и капель в тангенциальном устройстве подачи очищаемого потока 6 при резонансной вибрации отражателя 8 с сеткой 10 и уменьшении эффективной вязкости уловленных частиц и капель, что способствует росту производительности.