Способ образования пульсаций газожидкостной смеси и устройство для его осуществления
GAS-LIQUID MIXTURE PULSATIONS GENERATION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к химической, нефтехимической и другим отраслям промышленности, в которых используются массообменные процессы абсорбции, ректификации, очистки газов, смешивания компонентов и другие технологические процессы.
Известны способы образования пульсаций газожидкостной смеси, например по Пат. ФРГ №1906606, МКИ В01D 3/18, 1973 г., путем наложения колебаний перемещением клапана относительно тарелки под воздействием давления газожидкостной смеси, подаваемой в зазор между клапаном и тарелкой через перепускное отверстие тарелки. Известные способы не позволяют повысить эффективность взаимодействия контактирующих фаз газожидкостной смеси, так как соотношение размеров отверстия и клапана не дает возможности образования кольцевой зоны пониженного давления за перепускным отверстием тарелки и эжекции потока.
Известен способ образования пульсаций газожидкостной смеси по АС СССР №391835, МКИ В01D 3/30, 1973 г., путем наложения колебаний перемещением клапана относительно тарелки под воздействием давления газожидкостной смеси, подаваемой в зазор между клапаном и тарелкой через перепускное отверстие тарелки. Известный способ не дает возможности образования кольцевой зоны пониженного давления за перепускным отверстием тарелки, что также не позволяет повысить эффективность взаимодействия контактирующих фаз газожидкостной смеси.
Известно также течение потока в зазоре между клапаном и тарелкой, при котором образуется кольцевая зона пониженного давления за перепускным отверстием тарелки, например, Чупраков Ю.И. «Гидропривод и средства гидроавтоматики: Учебное пособие для вузов по специальности «Гидропривод гидроавтоматика». М. Машиностроение, 1979-232 с. Однако в нем, как и в предыдущем случае, предусматривается только жесткий клапан и не используется эжекция потока из пространства над клапаном, что не позволяет повысить эффективность взаимодействия контактирующих фаз газожидкостной смеси в массообменных процессах.
В качестве прототипа, по технической сущности и достигаемому результату, принят наиболее близкий способ (по АС СССР №425632, МКИ В01D 3/30, 1988 г.). В известном способе пульсация газожидкостной смеси осуществляется путем наложения колебаний перемещением клапана относительно тарелки под воздействием давления газожидкостной смеси, подаваемой в зазор между клапаном и тарелкой через перепускное отверстие тарелки. Клапан имеет ограничители перемещения, а для обеспечения эжекции газожидкостной смеси из пространства над клапаном на гранях углубления выполнены направленные под клапан прорези. Поскольку прорези не обеспечивают равномерного распределения потока в зазоре, клапан относительно тарелки может устанавливаться с наклоном и вызывает неравномерность выхода потока из зазора между тарелкой и клапаном, что не позволяет повысить эффективность взаимодействия контактирующих фаз, соответственно повысить качество приготовления газожидкостной смеси. Выполнение направленных под клапан прорезей и углублений усложняет конструкцию клапана и тарелки в целом.
Анализ аналогов и прототипа показал, что в известных способах, направленных на повышение качества приготовления газожидкостной смеси и эффективности массообменных процессов абсорбции, ректификации, очистки газов, смешивания компонентов и других технологических процессов, не учтены обстоятельства, существенно влияющие на эффективность массообменных процессов. В частности не используется эффект присасывания клапана к тарелке под воздействием пониженного давления, образующегося в первой кольцевой зоне, затем во второй и далее, в следующих кольцевых зонах, расположенных за перепускным отверстием тарелки, в зазоре между клапаном и тарелкой.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют. Ни один из самых близких аналогов и прототипов не обеспечивает повышения качества приготовления газожидкостной смеси и эффективности массообменных процессов абсорбции, ректификации, очистки газов, смешивания компонентов и других технологических процессов, что соответствует критериям "новизны и полезности".
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники показали, что отличительные признаки заявленного способа и его реализации не следуют явным образом из уровня техники представленных аналогов и прототипов. Из уровня техники также не выявлена известность существенных признаков, предусматриваемых в заявленном изобретении, и достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Техническим результатом изобретения является повышение качества приготовления газожидкостной смеси и эффективности массообменных процессов абсорбции, ректификации, очистки газов, смешивания компонентов и других технологических процессов путем образования пульсации контактирующих фаз газожидкостной смеси в массообменных процессах.
Технический результат при осуществлении способа достигается тем, что:
в первом случае пульсацию газожидкостной смеси создают изменением зазора (перемещением) клапана относительно тарелки под воздействием пониженного давления, образующегося в первой, затем во второй и далее, в следующих кольцевых зонах, расположенных за перепускным отверстием тарелки, при перетекании потока в зазоре между клапаном и тарелкой в пространство за клапаном. Клапан из жесткого материала по отношению к газожидкостной смеси, с обеспечением свободного перетекания потока в зазоре первой, затем второй и далее, следующих кольцевых зонах пониженного давления, расположенных за перепускным отверстием тарелки, в пространство за клапаном, закреплен относительно тарелки подвижно в нескольких точках, наиболее удаленных от перепускного отверстия тарелки. Жесткость клапана по отношению к газожидкостной смеси может быть обеспечена, например, за счет увеличения прочности материала клапана или его толщины.
Во втором случае пульсацию газожидкостной смеси создают изменением зазора клапана относительно тарелки за счет деформации клапана под воздействием пониженного давления, образующегося в зазоре первой, затем второй и далее, в следующих кольцевых зонах, расположенных за перепускным отверстием тарелки, при перетекании потока в зазоре между клапаном и тарелкой в пространство за клапаном. Для этого клапан изготавливают из нежесткого и неупругого материала по отношению к газожидкостной смеси, с обеспечением свободного перетекания потока в зазоре первой, затем второй и далее, следующих кольцевых зонах пониженного давления, расположенных за перепускным отверстием тарелки, в пространство за клапаном. Клапан из нежесткого и неупругого материала по отношению к газожидкостной смеси неподвижно закреплен относительно тарелки в нескольких точках, наиболее удаленных от перепускного отверстия тарелки. Клапан может быть изготовлен, например, из алюминия, фторопласта, полиэтилена, других нежестких и неупругих материалов по отношению к газожидкостной смеси.
В третьем случае пульсацию газожидкостной смеси создают изменением зазора относительно тарелки в пределах упругости материала клапана под воздействием пониженного давления, образующегося в зазоре первой, затем второй и далее, в следующих кольцевых зонах, расположенных за перепускным отверстием тарелки, при перетекании потока в зазоре между клапаном и тарелкой в пространство за клапаном. Клапан из материала, обладающего упругостью по отношению к газожидкостной смеси, с обеспечением свободного перетекания потока в зазоре первой, затем второй и далее, следующих кольцевых зонах пониженного давления, расположенных за перепускным отверстием тарелки, в пространство за клапаном, закреплен относительно тарелки неподвижно в нескольких точках, наиболее удаленных от перепускного отверстия тарелки. В этом случае клапан может быть изготовлен, например, из латуни, стали, бронзы и других материалов, также обладающих упругостью по отношению к газожидкостной смеси.
Описание чертежей
Фиг. 1 - устройство для осуществления способа образования пульсаций газожидкостной смеси.
Способ поясняется следующим примером.
На рисунке изображено устройство для осуществления способа, содержащее клапан 1, установленный на тарелке 2 с перепускным отверстием 3 с кромкой 4 и закрепленный с образованием зазора 5 крепежными элементами (ограничителями хода клапана 1) 6 в нескольких точках, наиболее удаленных от перепускного отверстия 3 тарелки 2.
Р
Поток газожидкостной смеси 7 под давлением Р, проходя через перепускное отверстие 3, срывается с его кромки 4 и некоторый путь крайние границы зоны 8 и зоны 9 расходящегося потока в зазоре 5 не касаются тарелки 2, образуя кольцевую зону 10 пониженного давления, а затем прилипают к ней. В зонах 8 и 9 образуется сужение потока газожидкостной смеси 6. Согласно закону Бернулли увеличение скорости потока газожидкостной смеси 6 в зонах 8 и 9 вызывает снижение давления в кольцевой зоне 10 по сравнению с давлением  и с давлением в свободном пространстве 15 за пределами клапана 1. Снижение давления потока в кольцевой зоне 10 достигает отрицательных значений (образует вакуум) и создает присасывающую силу. Далее за первой кольцевой зоной 10 расходящийся в зазоре 5 поток газожидкостной смеси 7 отрывается от клапана 1 и образуется вторая кольцевая зона 11 пониженного давления. Аналогично образуются кольцевые зоны 12, 13 и далее, до выхода расходящегося потока из зазора 5 в свободное пространство 15 за клапаном 1. Таким образом, в кольцевых зонах 10, 11, 12, 13 и далее в расходящемся потоке в зазоре 5 создается присасывающая сила Q, которая преодолевает силу давления Р потока газожидкостной смеси 7, выходящего из отверстия 3 в центральной зоне 14, и уменьшает зазор 5 между клапаном 1 и тарелкой 2. При уменьшении зазора 5 снижается расход газожидкостной смеси 7 в кольцевых зонах 8 и 9 и далее в расходящемся потоке в зазоре 5 за счет уменьшения площади проходного сечения между клапаном 1 и кромкой 4 перепускного отверстия 3. При снижении расхода потока в зазоре 5 давление в кольцевых зонах 10, 11, 12, 13 и далее повышается, снижая присасывающую силу Q. Сила давления Р потока газожидкостной смеси 7 в центральной зоне 14 увеличивает зазор 5, отталкивая клапан 1 от тарелки 2. Поскольку ход клапана 1 ограничен крепежными элементами 6, при увеличении зазора 5 расход потока газожидкостной смеси 7 повышается, вызывая увеличение скорости потока в зонах 8 и 9 и увеличение присасывающей силы Q в кольцевых зонах 10, 11, 12, 13 и далее, которая вновь уменьшает зазор 5. Поочередное увеличение и снижение присасывающей силы Q создает автоколебания клапана 1 относительно тарелки 2 и пульсацию расходящегося потока газожидкостной смеси 7 в зазоре 5 и в пространстве 15 за клапаном 1.
В первом случае пульсацию газожидкостной смеси 7 создают жестким клапаном 1 при изменении зазора 5 относительно тарелки 2 под воздействием пониженного давления Q, образующегося в кольцевых зонах 10, 11, 12, 13 и далее, которые расположены за перепускным отверстием 3 тарелки 2. Величина свободного хода жесткого клапана 1 при перетекании газожидкостной смеси 6 из зазора 5 в пространство 15 за клапаном 1 задана ограничителями, установленными в нескольких точках 6, наиболее удаленных от перепускного отверстия 3 тарелки 2.
Во втором случае пульсацию газожидкостной смеси создают изменением зазора 5 за счет деформации клапана 1 относительно тарелки 2 под воздействием пониженного давления Q, образующегося в кольцевых зонах 10, 11, 12, 13 и далее, расположенных за перепускным отверстием 3 тарелки 2. При этом клапан 1 из нежесткого и неупругого материала по отношению к газожидкостной смеси неподвижно закреплен относительно тарелки в нескольких точках 6, наиболее удаленных от перепускного отверстия 3 тарелки 2, и деформируется при перетекании газожидкостной смеси 6 из зазора 5 в пространство 15 за клапаном 1.
В третьем случае пульсацию газожидкостной смеси создают изменением зазора 5 в пределах упругости материала клапана 1 под воздействием пониженного давления Q, образующегося в кольцевых зонах 10, 11, 12, 13 и далее, расположенных за перепускным отверстием 3 тарелки 2. При этом клапан 1 закреплен неподвижно относительно тарелки 2 в нескольких точках 6, наиболее удаленных от перепускного отверстия 3 тарелки 2, и деформируется в пределах упругости его материала при перетекании расходящегося потока из зазора 5 в пространство 15 за клапаном 1.
Неподвижное или подвижное закрепление периферийной части клапана 1 относительно тарелки 2 крепежными элементами 6 в нескольких точках, наиболее удаленных от перепускного отверстия 3, не препятствует колебаниям клапана 1 в зоне перепускного отверстия 3 и перетеканию потока газожидкостной смеси 7 из зазора 5 в свободное пространство 75 за клапаном 1. Таким образом, клапан 1, закрепленный подвижно, перемещается в пределах зазора 5, а закрепленный неподвижно деформируется в пределах упругости его материала, совершает автоколебания и создает пульсацию газожидкостной смеси 6 как в зазоре 5, так и в пространстве 15 за клапаном 1.
Если на свободной поверхности 16 находится газожидкостная смесь (на чертеже не показана), то в пространстве за клапаном 1 расходящийся поток 15 одновременно с автоколебаниями клапана 1 и пульсацией газожидкостной смеси 6 создает эжекцию газожидкостной смеси, находящейся на свободной поверхности 16 клапана 1.
Согласно изобретению, пульсация газожидкостной смеси при изменении зазора перемещением или деформацией клапана относительно тарелки под воздействием пониженного давления потока газожидкостной смеси, которое образуется в зазоре между клапаном и тарелкой, а также за счет эжекции потока газожидкостной смеси, находящейся на свободной поверхности клапана, смешивает пульсирующие потоки газожидкостной смеси в пространстве за клапаном, что повышает эффективность взаимодействия контактирующих фаз газожидкостной смеси.
Расходящийся в зазоре между клапаном и тарелкой поток распределяется по всему зазору равномерно и создает подушку из газожидкостной смеси, которая препятствует наклону клапана относительно тарелки и повышает равномерность распределения потока как в зазоре между тарелкой и клапаном, так и пространстве за клапаном.
Изобретение повышает качество приготовления газожидкостной смеси и эффективность массообменных процессов абсорбции, ректификации, очистки газов, смешивания компонентов и других технологических процессов.