Тепломассообменный аппарат

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции тепломассообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых в процессах адсорбции, абсорбции, десорбции, ректификации, сушки, экстракции особенно когда одной из фаз является высоковязкая, неньютоновская, структурированная жидкость, высококонцентрированная суспензия или эмульсия и мелкодисперсная твердая фаза, а также для реализации экзо- и эндотермических газофазных каталитических реакций.
Известны конструкции тарельчатых барботажных массообменных аппаратов и реакторов, представляющих собой вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки - тарелки со сливными устройствами (Тимонин А.С., Божко Г.В., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. и др. Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств. Книга 2 / под общей ред. А.С. Тимонина. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 476 с., Тимонин А.С., Балдин Б.Г., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. Машины и аппараты химических производств / под общей ред. А.С. Тимонина. - Калуга: Изд. «Ноосфера», 2014. - 856 с.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся малая скорость движения высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, высококонцентрированных суспензий или эмульсий и мелкодисперсной твердой фазы по горизонтальным перегородкам, что резко снижает производительность колонны.
Известна конструкция адсорбера непрерывного действия включающего корпус с хроматографическими секциями, внутри которых размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцерами ввода исходного сырья, устройства для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройство для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента, при этом колосниковые и аккумулирующие тарелки установлены под углом к горизонтальной поверхности большим угла трения между материалом гранул и материалом тарелки, причем тарелки в нижней части снабжены патрубками с образованием зазора между их торцами и поверхностью ниже располагающейся тарелки, равного по высоте слоя адсорбента на тарелке (Патент РФ №111022, B01D 53/06, 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая поверхность тарелок из-за необходимости установки на каждой из них патрубков для перетекания адсорбента с одной тарелки на другую, что снижает производительность колонны.
Известна конструкция массообменного аппарата, содержащего центральную вертикальную цилиндрическую пустотелую колонну, являющуюся загрузочным патрубком для твердой фазы и снабженную отверстием, расположенным на уровне днища, с закрепленным на ее наружной поверхности спиральным рабочим органом с радиально расположенными перегородками, имеющими козырек, по всей его длине, разгрузочный лоток в конце верхнего витка рабочего органа, разделитель потока на верхнем витке рабочего органа с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, штуцеров для подвода экстрагента и отвода экстракта, установленных с выходом на предпоследний виток рабочего органа и в нижней части аппарата соответственно, при этом спиральный рабочий орган аппарата выполнен сплошным с радиально расположенными перегородками по всей длине его поверхности, высота которых не превышает вертикальную составляющую амплитуды колебаний вибратора (Патент РФ №2257936, B01D 11/02 2005).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность использования данного массообменного аппарата в системах с газовыми и паровыми фазами компонентов, что резко снижает производительность в условиях массообмена с участием газовой или паровой фаз.
Известна конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, загрузочного и выгрузочного устройств, патрубков, двухзаходного шнекового винта, закрепленного на полом валу, привода, корпуса в верхней части которого находится коллектор, расположенный на уровне последнего винта шнека, винтовые поверхности перфорированы отверстиями различного диаметра в средней части винта, а угол наклона образующей верхней винтовой поверхности к оси винта и угол подъема верхней и нижней винтовых поверхностей больше угла естественного откоса твердой фазы, по гребням витков закреплена спиральная полоса, превращающая межвинтовой объем в замкнутый спиральный канал, в котором установлены радиальные перегородки, а в стенах вала выполнены отверстия, размещенные между радиальными перегородками (Патент РФ №2079346, B01D 53/06 1997).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится отсутствие возможности осуществления управляемых неизотермических массообменных процессов и газофазных экзо- и эндотермических реакций, с возможностью управления тепловыми режимами.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, патрубков для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, закрепленного на валу, при этом, что корпус в нижней части содержит газораспределительную камеру и перфорированную решетку, отделяющую газораспределительную камеру от шнекового винта, а шнековый винт выполнен однозаходным, при том радиальные перегородки расположены на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта (Патент РФ №141487, B01D 53/06, B01D 11/02, 2014).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится отсутствие возможности осуществления управляемых неизотермических массообменных процессов и газофазных экзо- и эндотермических реакций, с возможностью управления тепловыми режимами.
Задача - разработка конструкции тепломассообменного аппарата обладающего широким спектром возможностей регулирования технологических параметров и возможностью качественного отвода/подвода тепла.
Техническим результатом предлагаемого тепломассообменного аппарата является повышение производительности при осуществлении массообменных процессов и газофазных каталитических экзо- и эндотермических реакций.
Технический результат достигается при использовании тепломассообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, при этом корпус дополнительно снабжен рубашкой, полый вал снабжен патрубками для подачи и отвода теплоносителей, а верхняя поверхность шнекового винта выполнена оребренной в тангенциальном направлении.
Сущностью технического решения является разработка тепломассообменного аппарата, с возможностью управления тепловыми режимами в ходе массообменных процессов.
Выполнения корпуса аппарата с рубашкой и полого вала с патрубками для подачи и отвода теплоносителей обеспечивает возможность подачи и отвода тепла с различными схемами тока относительно продуктов массообмена. Выполнение верхней поверхности шнекового винта оребренной в тангенциальном направлении позволяет организовать течение дисперсной фазы и увеличить суммарную поверхность теплоотдачи, что также способствует эффективному теплообмену и обеспечивает равномерное время пребывания дисперсной фазы в тепломассообменном аппарате.
Равномерное время пребывания дисперсной фазы в тепломассообменном аппарате и управление тепловыми режимами активизируют массообменные диффузионные процессы, что приводит к повышению производительности тепломассообменного аппарата.
На чертеже показан общий вид тепломассообменного аппарата в разрезе.
Тепломассообменный аппарат состоит из вертикального корпуса 1 с газораспределительной камерой 2, патрубками для подвода исходных веществ 3 и отвода продуктов массообмена 4 и патрубками входа 5 и выхода 6 газовой (паровой) фазы. Корпус 1 снабжен полым валом 7, на котором закреплен однозаходный шнековый винт 8 с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками 9, расположенными на нижней поверхности шнекового винта 8 с зазором 10 относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта 8. Верхняя поверхность шнекового винта 8 выполнена оребренной в тангенциальном направлении. Газораспределительную камеру 2 от шнекового винта 8 отделяет перфорированная решетка 11. Корпус 1 снабжен рубашкой 12, полый вал 7 снабжен патрубками для подачи 13 теплоносителей и отвода 14 теплоносителей. Рубашка 12 выполнена с патрубками подвода 15 и отвода 16 теплоносителей.
Тепломассообменный аппарат работает следующим образом.
По патрубку 3 подаваемая дисперсная фаза (например, жидкость, суспензия, гранулы дисперсного высушиваемого материала, сорбент, катализатор) поступает в верхнюю часть корпуса 1, затем медленно движется сверху вниз под действием силы тяжести по верхней оребренной поверхности витков шнекового винта 8 через зазоры 10 и выходит из корпуса 1 через патрубок 4. По патрубку 5 в газораспределеную камеру 2 подают восходящий поток газа (пара), который равномерно распределяется по сечению массообменного аппарата проходя через перфорированную решетку 11. Поток газа (смеси газов, продуктов реакций) (пара) проходя через отверстия в витках перфорированного шнекового винта 8 образует с подаваемой фазой барботажный слой, в котором происходит массообмен между подаваемой фазой и восходящей газовой фазой. Газовый (паровой) поток выходит из корпуса 1 через патрубок 6. Так как между витками перфорированного шнекового винта 8 установлены радиальные перегородки 9, ограничивающие слой жидкости или твердой дисперсной фазы, то движение газовой (паровой) фазы по винтовому каналу в корпусе в зазоре 10 между подаваемой фазой и нижней поверхностью витков перфорированного шнекового винта 8 затруднено, что заставляет ее двигаться вертикально через отверстия (перфорации) шнекового винта 8.
Для осуществления неизотермических массообменных процессов или экзо- и эндотермических газофазных реакций (каталитических) теплоносители (или хладагенты) поступают в рубашку 12 и теплообменный полый вал 7 через патрубки 13, 14, 15, 16 (по различным схемам тока относительно продуктов массообмена и реакции, например прямоток, противоток, смешанный ток, - исходя их технологических требований и теплофизических характеристик теплоносителей). Теплоносители реализуют отвод или подвод тепла к продуктам массообменных процессов и газофазных каталитических реакций, осуществляя контроль и управление тепловыми режимами работы. Контактная оребренная перфорированная винтовая шнековая поверхность жестко соединена с полым валом 7 и устанавливается в натяг с корпусом аппарата 1, что обеспечивает лучшие условия теплопроводности, то есть вся винтовая поверхность будет выполнять функцию теплообменных ребер, помимо основных поверхностей теплопередачи.
Таким образом, использование тепломассообменного аппарата, состоящего из вертикального снабженного рубашкой корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу, снабженном патрубками для подачи и отвода теплоносителей, однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью, радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и оребренной в тангенциальном направлении верхней поверхностью, и перфорированной решетки обеспечивает повышение производительности при осуществлении массообменных процессов и газофазных каталитических экзо- и эндотермических реакций.