Тепломассообменный аппарат
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к процессам и аппаратам химического машиностроения и может быть использовано в энергетической, нефтегазовой, химической, пищевой и других отраслях промышленности для мокрой очистки газов, абсорбции, ректификации (перегонки) и т.п .процессам в системе газ - жидкость.
Из уровня техники широко известно устройство для проведения тепло- и массообменного процесса путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, протекающего на поверхности капель или пленки жидкости в полых (безнасадочных) тарельчатых (каскадных), насадочных пленочных колоннах (см. Ю.И. Дытнерский. Процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1995, с. 82-86). При этом интенсивность тепло- и массообмена определяется скоростями движения потоков газа и жидкости и в значительной мере зависит от величины и формы поверхности контактирования, однако увеличение (развитие) последней приводит к росту гидравлического сопротивления, уносу капель жидкости, усложнению конструкции и габаритов тепло- и массообменных аппаратов.
Известны тепломассообменные аппараты, содержащие корпус с газовым каналом и патрубками для подвода и отвода газа, нижняя часть которого заполнена жидкостью, и установленный в корпусе горизонтальный вал с дисками, частично погруженными в жидкость, который снабжен приводом для вращения (SU, авторское свидетельство 262096, опубл. 1970 г.; SU, авторское свидетельство 971437, опубл. 1981 г).
При этом выполнение дисков в виде сеток или лопастей обеспечивает осевое течение газового потока с достаточно большой скоростью, но не дает возможности существенно развивать поверхность контакта фаз.
Известен механический пленочный тепломассообменный аппарат (см. В.М. Рамм. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976, с. 321-322), содержащий цилиндрический корпус, снабженный вращающимся валом с контактными дисками. Контактные диски установлены с зазором относительно корпуса, вала, друг друга и разделительных кольцевых перегородок. В верхней части корпуса установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости. Вал снабжен приводом для вращения. Контактные диски частично погружены в жидкость. Такое устройство аппарата формирует в верхней части корпуса осевой газовый канал, а в нижней части - жидкостной канал, что, в принципе, позволяет эффективно использовать его для тепломассообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с пленкой жидкости.
Так, с точки зрения повышения эффективности процесса тепломассообмена в аппаратах данного типа необходимо обеспечение минимально возможных зазоров между контактными дисками и корпусом аппарата. Однако, с точки зрения технологичности изготовления, сборки и эксплуатации таких аппаратов, как показывает практика, при установке всего 10-16 контактных дисков эти зазоры, как правило, уже более чем в 3 раза превышают их оптимальную величину, что, в свою очередь, приводит к перетоку до 50% газа по этим "технологическим зазорам", минуя процесс тепломассообмена на контактных дисках и, как следствие, - ведет к снижению эффективности данных аппаратов.
Исходя из вышесказанного в таких аппаратах возникает противоречие между эффективностью организации процесса тепломассообмена и крайней сложностью его конструктивной реализации.
Известен также тепломассообменный аппарат (cм. RU, патент 2152245, опубл. 29.06.98 г.), содержащий цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный вращающимся валом с установленными на нем соосно корпусу и валу и с возможностью совместного вращения с ним последовательно чередующимися поперечными сплошными дисками и разделительными кольцевыми перегородками с установленными по их внешнему диаметру (газодинамическими, гидродинамическими или контактными) уплотнениями, между которыми установлены пакеты, состоящие из кольцевых контактных дисков, установленными с зазором относительно корпуса, вала и друг друга и частично догруженными в жидкость и которые совместно формируют зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа. При этом процесс тепло- и массообмена проводят в условиях безотрывного течения пленки жидкости при контактном взаимодействии потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков. Данный аппарат технологичен, обладает высокой эффективностью при сравнительно небольшой производительности потока газа. Основным недостатком данного устройства является низкая пропускная способность аппарата ввиду того, что данный показатель определяет расстояние между дисками в пределах одной секции (в точке ближайшей к валу аппарата). Соответственно требуется увеличение диаметра аппарата, либо увеличение расстояния между контактными дисками для обеспечения требуемой пропускной способности, что ведет к увеличению габаритов аппарата. Также в аппарате применяются разделительные кольцевые перегородки, которые не участвуют в процессе массообмена и соответственно ведут к увеличению габаритов аппарата.
В качестве ближайшего аналога разработанного устройства можно принять (RU, патент 2379096, опубл. 25.01.2008) устройство для проведения процессов тепломассообмена путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков, частично погруженных в жидкость. Область использования таких аппаратов несколько ограничена по производительности, потому что при большой скорости газа между дисками происходит срыв пленки с контактной поверхности, а также производительность ограничена расстоянием между дисками. Также в данном аппарате не полностью используется площадь контактного диска ввиду наличия технологического отверстия около вала, которое используется для организации потока газа.
Горизонтальный дисковый тепломассообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с днищами, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный разделительными кольцевыми перегородками, образующими секции с внешними кольцевыми каналами, продольный вал, установленный с возможностью вращения в блоках подшипников с уплотнениями в днищах корпуса, а также установленными на вале и соосно ему поперечными сплошными и кольцевыми контактными дисками (ККД), которые установлены с зазором относительно сплошных дисков, вала и друг друга и частично погружены в жидкость, которые образуют контактные пакеты с центральными осевыми каналами в них, причем разделительные кольцевые перегородки жестко закреплены относительно друг друга и корпуса распорными трубками, установленными на продольных шпильках; которые закреплены в корпусе, при этом сплошные контактные диски закреплены на вале совместно с кольцевыми контактными дисками и, установленными между ними, напротив разделительных кольцевых, перегородок разделительными контактными дисками, образующими совместно ротор ККД, который установлен в корпусе с минимальным зазором относительно поверхностей центральных отверстий разделительных кольцевых перегородок, при этом на боковых поверхностях ККД, между которыми протекает парогазовая смесь (ПГС) от центральных осевых каналов к внешним кольцевым каналам; выполнены гофры, которые формируют профиль каналов центробежных контактных пакетов, при этом сплошные, кольцевые и разделительные контактные диски совместно с разделительными кольцевыми перегородками и корпусом формируют зигзагообразное, радиально-осевое течение потоков газа и жидкости.
Однако главными недостатками таких аппаратов являются:
- низкая пропускная способность газовой фазы данных аппаратов, так как данный показатель определяет расстояние между дисками в пределах одной секции и размер технологического отверстия в диске около вала, которое используется для организации потока газа;
- небольшая пропускная способность жидкой фазы данных аппаратов, так как данный показатель определяет расстояние между дисками и корпусом (вставки) аппарата и размер технологического отверстия в разделительных кольцевых перегородках для обеспечения жидкостного потока;
- наличие разделительных кольцевых перегородок, которые не участвуют в процессе массообмена и соответственно ведут к увеличению габаритов аппарата.
Техническая проблема, решаемая разработкой настоящего устройства, состоит в одновременном увеличении производительности потока газа при отсутствии разделительных контактных перегородок и сравнительно небольших габаритов аппарата, за счет использования отверстий с направляющими в контактных дисках.
Технический результат от реализации разработанного устройства состоит в создании высокоэффективного, дешевого контактного тепло-массообменного аппарата с расширенным диапазоном по производительности и широкими функциональными возможностями за счет резкого повышения его технологичности, и, как следствие, увеличения эффективного контактного взаимодействия газа с пленкой жидкости, т.е. организации более интенсивного и стабильного процесса тепломассообмена при контактном взаимодействии газа с пленкой жидкости.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать тепло-массообменный аппарат разработанной конструкции. Тепло-массообменный аппарат содержит цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, на вращающемся продольном валу установлены контактные диски с отверстиями, установленные с зазором относительно корпуса, вала и друг друга с возможностью частичного погружения в жидкость с обеспечением совместного формирования течения потоков газа и жидкости, причем каждый контактный диск выполнен с отверстиями, в которых расположены направляющие для формирования осевого и направленного потока газа, по внешнему диаметру контактных дисков с обеих сторон установлены уплотнения.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в тепло-массообменном аппарате, содержащим цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, также на вращающемся валу установлены поперечные контактные диски, установленные с зазором относительно корпуса и друг друга и частично погруженных в жидкость, которые совместно формируют течение потоков газа непосредственно через отверстия с направляющими в контактных дисках, а с обеих сторон внешнего диаметра контактных дисков установлены уплотнения.
Общий вид тепломассообменного аппарата схематично представлен на фигуре 1.
Тепломассообменный аппарат (см. рис) содержит цилиндрический корпус (состоящий из цилиндрической части 1 и двух фланцев 2, 3), в котором с возможностью вращения установлен горизонтальный вал 4. На валу 4 аппарата закреплены сплошные контактные диски 11. Поперечные сплошные диски 11 установлены с зазором относительно корпуса аппарата 1 и друг друга. В верхней части корпуса образован газовый канал 6 с патрубками 9 и 10 для подвода и отвода газа, а в нижней части корпуса образован жидкостной канал 5 (на основе отверстий в сплошных дисках 11 и дополнительной полости) с входным и выходным патрубками 7 и 8 для подвода и отвода жидкости, который заполнен жидкостью.
Газовый канал 9 образован отверстиями с направляющими в кольцевых контактных дисках 11, формирующими, в том числе поток газа вдоль вращающего диска 11. Отверстия в следующих контактных дисках смещены на 30° (по дуге окружности) для изменения направления потока газа. Аналогично с нижней части корпуса образован жидкостной канал 5. Вращение горизонтального вала 4 с кольцевыми контактными дисками 11 обеспечивается приводом (не показано).
На графическом материале схематично представлен общий вид тепло-массообменного аппарата, который, как правило, используется как абсорбционный и ректификационный, в том числе при относительно высоких давлениях. Для обеспечения прочности его корпуса используются полусферические фланцы 2, 3.
Процесс тепло- и массообмена осуществляется следующим образом.
Поток газа поступает в газовый канал 6 через патрубок 9, проходит по отверстиям с направляющими вращающихся кольцевых дисков 11, вступая в контактное взаимодействие с потоком жидкости, стекающей в виде пленки с поверхности вращающихся дисков 11 которые при вращении частично погружаются в смачивающую их жидкость из жидкостного канала 5, до его выхода из аппарата через патрубок 8. В нижней части аппарата выполнены дополнительные полости для организации жидкостного канала 5 (дополнительно с отверстиями в дисках 11).
При этом контактное взаимодействие фаз происходит при изменяющемся направлении течений потока газа, который, протекая в целом по аппарату в осевом направлении, обтекает контактные элементы (вращающиеся диски 11) - за счет направленных перегородок, предусмотренных в отверстиях диска.
Безотрывное течение пленки жидкости по поверхности вращающихся дисков 11, в том числе направленное движение газа (с использованием направляющих в отверстиях во вращающихся дисках), позволяет реализовать движение газа вдоль смоченной поверхности жидкости в стекающей пленке. Кроме того, наличие конвективных потоков жидкости в стекающей пленке, возникающих при определенной частоте вращения дисков 11 в условиях достаточно сложной смешанной организации относительного движения потоков фаз, в сочетании с допустимым диапазоном скоростей потока газа в зоне контактного взаимодействия фаз системы газ-жидкость, обуславливает повышение коэффициентов теплопередачи и массопередачи при переходе вещества через поверхность контакта фаз в различных технологических процессах, что приводит к уменьшению габаритов аппарата.
Установка уплотнений по обеим сторонам внешнего диаметра дисков 11 позволяет не только резко упростить конструкцию тепло- и массообменного аппарата, но и обеспечить высокую технологичность сборки и разборки аппаратов без специальной высокоточной оснастки, повысить их эксплуатационные характеристики при больших диаметрах аппарата (до Ду1200).
Заявленное конструктивное исполнение тепломассообменных аппаратов обеспечивает:
- увеличивается производительность аппарата по газу и жидкости на 40-110%;
- уменьшение более чем в 4 раза перетекания газа по технологическим зазорам между секциями (в зоне между корпусом аппарата и диска 11);
- существенно упрощает конструкцию аппаратов, уменьшает на 25-85% их длину и массу, на 50-180% - стоимость их изготовления;
Таким образом, предложенное техническое решение с применением направленного осевого течения газа позволяет обеспечить организацию более интенсивных процессов тепломассообмена за счет большей пропускной способности данного аппарата, и, как следствие, рост удельной производительности аппаратов данного типа, а в совокупности обеспечивает существенно более высокую эффективность проведения различных процессов тепломассообмена.