ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к области химической технологии и может быть использована в химической, нефтехимической и других смежных отраслях промышленности для проведения многофазных химико-технологических процессов с участием газа, жидкости, твердой фазы.
Большинство современных химических процессов осуществляется в присутствии катализаторов. Причем существенную часть занимают процессы, в которых реагирующие вещества находятся в виде газовой и жидкой фазы, а катализаторы - в виде пористых твердых тел. Протекающие каталитические реакции в этом случае относятся к явлению гетерогенного катализа, а твердые пористые катализаторы по аналогии часто называют гетерогенными катализаторами. Процессы с участием газа, жидкости и твердой фазы так же встречаются в электрохимических и биохимических технологиях. Для проведения таких многофазных процессов в промышленности используются различные типы аппаратов: насад очные, с неподвижным слоем частиц, с псевдоожиженным слоем частиц и другие.
Для многих технологий проблема увеличения интенсивности тепломассообменных процессов между газом, жидкостью и твердой фазой является актуальной. Одним из способов увеличения интенсивности тепломассообменных процессов и химических превращений в многофазных системах является осуществление контакта фаз в центробежном поле.
2
3
Известен тепломассообменный аппарат центробежного типа [Ramshaw С. HIGEE - An Example of Process Intensification // Chemical Engineering -1983 - Feb. - P.13-14], в котором поле центробежных сил организуется за счет вращения кольцевой насадки. Аппарат состоит из корпуса, патрубков для подвода и отвода газа (пара) и жидкости, ротора с кольцевой насадкой. Ротор с насадкой размещен между торцевыми крышками и закреплен на валу. Вал приводится во вращение при помощи независимого привода. Жидкость, подается в центральную зону. Кольцевая насадка проницаема для фаз, подаваемых в аппарат непрерывно, имеет пористость около 95% и удельную площадь поверхности 800-1500 м/м. За счет вращения кольцевой насадки от внешнего привода возникают центробежные силы, в результате действия которых жидкость движется в радиальном направлении. Газ подается в периферийную зону кольцевой насадки и под действием градиента давления движется в противотоке по отношению к жидкости.
Известен тепломассообменный аппарат вихревого типа [Авторское свидетельство SU 625729, B01D 3/30, 01.09.1978], содержащий корпус с устройствами для ввода и вывода потоков газа и жидкости, ротор с кольцевой насадкой соединенный с валом, установленным на подшипниках. В тепломассообменном аппарате ротор снабжен лопастями, закрепленными на его наружной поверхности. Причем лопасти выполнены изогнутыми в направлении, противоположном вращению ротора, а патрубок подвода газа расположен в цилиндрическом корпусе тангенциально по ходу вращения ротора. Жидкость, подается в центральную зону. Данный аппарат выбран в качестве прототипа.
Аппарат работает следующим образом. Газ (пар), поступает в аппарат через патрубок, который расположен тангенциально к цилиндрическому корпусу. За счет кинетической энергии газа поступающего в аппарат приводится во вращение ротор с кольцевой насадкой. Далее газ (пар) проходит через кольцевую насадку ротора от периферии к центру и выводится из аппарата. Жидкость подается через распределительное устройство в центральную зону кольцевой насадки, разбрызгивается на ее поверхность и под действием центробежной силы проходит через насадку от центра к периферии. После взаимодействия с газом во вращающейся кольцевой насадке жидкость, через патрубок выводится из аппарата.
Однако для тепломассообменных аппаратов центробежного и вихревого типов [Burns J. R., Ramshaw С. Process Intensification: Visual Study of Liquid Maldistribution in Rotating Packed Beds // Chemical Engineering Scienc. - 1996. - Vol.51, - №8. - P.1347-1352.] при частоте вращения кольцевой насадки п=300-600 об/мин жидкость движется в радиальном направлении в виде отдельных струй, а с увеличением частоты вращения кольцевой насадки до значения n=600-800 об/мин режим течения жидкости через кольцевую насадку меняется на капельный. Даже при более высоких скоростях вращения n=1200-1500 об/мин жидкость не полностью смачивает внутреннюю поверхность кольцевой насадки. В результате реальная поверхность контакта между газом и жидкостью, а так же между жидкостью и объемной насадкой меньше расчетной. С уменьшением поверхности контакта фаз уменьшается интенсивность тепломассообменных процессов.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение интенсивности тепломассообменных процессов между газом и жидкостью, а также между жидкостью и кольцевой насадкой.
Задача достигается тем, что в предлагаемом тепломассообменном аппарате, содержащем корпус с устройствами для ввода и вывода потоков газа и жидкости, ротор с кольцевой насадкой, соединенный с валом, установленным на подшипниках, между корпусом аппарата и ротором с кольцевой насадкой соосно с кольцевой насадкой размещен тангенциальный завихритель, а устройство ввода жидкости выполнено с возможностью обеспечения подачи жидкости прямотоком с газом или перекрестным током с газом.
На фиг. 1 изображен чертеж предлагаемого тепломассообменного аппарата (общий вид) и фиг.2 разрез по А-А.
Тепломассообменный аппарат на фиг. 1 содержит корпус 1 (цилиндрический или улиточный), в котором имеется патрубок для подвода газа (пара, аэрозоля) 2, торцевые крышки 3, 4 с отверстием для выхода из многофазного слоя газа (пара, аэрозоля) и жидкости (суспензии, эмульсии).
Между торцевыми крышками 3 и 4 располагается ротор 5 с кольцевой насадкой 6. Кольцевая насадка проницаема для фаз, подаваемых в тепломассообменный аппарат непрерывно. Ротор 5 соединен с валом 7, который установлен на подшипниках 8. Между корпусом аппарата 1 и ротором 5 с кольцевой насадкой 6 соосно с кольцевой насадкой размещен тангенциальный завихритель 9. Тангенциальный завихритель 9 представляет собой кольцо в виде цилиндра, в котором имеются тангенциальные каналы. Устройство для ввода жидкости (суспензии, эмульсии) может представлять собой, например патрубок 10 установленный в корпусе аппарата 1 перед тангенциальным завихрителем 9, либо сопло 11 установленное непосредственно в тангенциальном завихрителе 9. Так же устройство для ввода жидкости может представлять собой отдельный тангенциальный завихритель 12, либо систему сопел, распределенных по радиусу торцевой крышки. Для подачи жидкости могут быть предусмотрены и другие устройства, обеспечивающие прямоток или перекрестный ток газа (пара, аэрозоля) и жидкости (суспензии, эмульсии). Так же тепломассообменный аппарат содержит сепаратор 13, патрубки отвода газа (пара, аэрозоля) 14 и жидкости (суспензии, эмульсии) 15.
На фиг.2 изображен разрез по А-А (фиг.1) предлагаемого тепломассообменного аппарата.
Аппарат работает следующим образом.
Пример 1.
В тепломассообменный аппарат (фиг.1), через патрубок 2 подается газ. Затем газ проходит через тангенциальный завихритель 9. Жидкость подается через патрубок 10 в поток газа перед тангенциальным завихрителем и увлекается газом в тангенциальный завихритель 9. Тангенциальный завихритель 9 значительно увеличивает кинетическую энергию газожидкостного потока и придает ему вращательное движение. Закрученные потоки газа и жидкости приводят во вращение ротор 5 с кольцевой насадкой 6. В области между торцевыми крышками 2, 3 и тангенциальным завихрителем 9 формируется вращающийся многофазный слой, через который барботируется газ. Газ и жидкость проходят через многофазный слой прямотоком. После взаимодействия в многофазном слое газ и жидкость, разделяются в сепараторе 13 и выводятся из аппарата через патрубки 14, 15.
Пример 2.
В тепломассообменный аппарат (фиг.1), через патрубок 2 подается газ. Затем газ проходит через тангенциальный завихритель 9. Тангенциальный завихритель 9 значительно увеличивает кинетическую энергию газового потока и придает ему вращательное движение. Устройство для ввода жидкости (суспензии, эмульсии) представляет собой сопло 11 установленное в канале тангенциального завихрителя газа. Проходя через сопло жидкость приобретает тангенциальную скорость. Закрученные потоки газа и жидкости приводят во вращение ротор 5 с кольцевой насадкой 6. В области между торцевыми крышками 2, 3 и тангенциальным завихрителем 9 формируется вращающийся многофазный слой, через который барботируется газ. Газ и жидкость проходят через многофазный слой прямотоком. После взаимодействия в многофазном слое газ и жидкость, разделяются в сепараторе 13 и выводятся из аппарата через патрубки 14, 15.
Пример 3.
В тепломассообменный аппарат, через патрубок 2 подается газ. Затем газ проходит через тангенциальный завихритель 9. Тангенциальный завихритель 9 значительно увеличивает кинетическую энергию газового потока и придает ему вращательное движение. Устройство для ввода жидкости (суспензии, эмульсии) представляет собой отдельный тангенциальный завихритель 12, установленный выше тангенциального завихрителя газа 9 на торцевой крышке 3. Тангенциальный завихритель 12 значительно увеличивает кинетическую энергию жидкости и придает ей вращательное движение. Закрученные потоки газа и жидкости приводят во вращение ротор 5 с кольцевой насадкой 6. В области между торцевыми крышками 2, 3 и тангенциальным завихрителем 9 формируется вращающийся многофазный слой, через который барботируется газ. Газ и жидкость проходят через многофазный слой перекрестным током. После взаимодействия в многофазном слое газ и жидкость, разделяются в сепараторе 13 и выводятся из аппарата через патрубки 14, 15.
При барботаже газа в поле центробежных сил значительно уменьшаются размеры пузырей, за счет этого увеличивается поверхность контакта между газом и жидкостью, увеличивается интенсивность тепломассообменнных процессов. В поле центробежных сил можно существенно повысить скорость газа без брызгоуноса и нарушения структуры слоя, что так же приводит к увеличению интенсивности тепломассообменных процессов между газом и жидкостью. В таком вращающемся многофазном слое потоки газа и жидкости сильно турбулентные, кольцевая насадка полностью смачивается жидкостью и интенсивно взаимодействует с ней. Все это приводит к увеличению интенсивности тепломассообменных процессов между газом и жидкостью, а также между жидкостью и кольцевой насадкой.