ТУМАНОУЛОВИТЕЛЬ С ВИХРЕВЫМ КОНТАКТНЫМ УСТРОЙСТВОМ
MIST ELIMINATOR WITH VORTEX CONTACT DEVICE

Изобретение относится к аппаратам для осуществления различных физико-химических процессов в гетерогенных системах в вихревом газовом потоке и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, металлургической, обогатительной отрасли промышленности, а также теплоэнергетике для очистки отходящих в атмосферу газообразных выбросов, например, содержащих пары и туман кислот, оксиды азота и серы. Кроме того, изобретение может быть реализовано на предприятиях пороховой промышленности, производящих нитраты целлюлозы, в системах регенерации и концентрирования отработанных кислот для их повторного использования.
На сегодняшний день известно различное оборудование для очистки газовых выбросов путем улова паров и тумана кислот, а также оксидов азота и серы.
Способы улова паров азотной кислоты из отходящих газов основаны на ее хорошей растворимости в воде, поэтому самым распространенным* способом является абсорбция кислых газов водой. Для реализации данного способа используются установки абсорбции с насадочными колоннами и пленочные абсорберы [1, стр. 83].
Недостатком данных абсорбционных установок является низкий уровень улавливания паров и тумана кислот, который не превышает 72-78% по общей кислотности и 85-90% по степени очистки от паров азотной кислоты.
Для улова туманов кислот, масел и других жидкостей применяют сеточные брызгоуловители, если диаметр капель равен 5 мкм и более, и волокнистые туманоуловители при диаметре капель менее, чем 5 мкм [2, стр. 137]
Одним из наиболее эффективных аппаратов для очистки газов от паров и тумана кислоты является аппарат на основе вихревого абсорбера конструкции А.Ф. Махоткина [1, стр. 84; 3].
Конструкция вихревого абсорбера с волокнистыми фильтрующими элементами предусматривает эффективный контакт фаз и учет особенностей механизма улова паров и тумана, исходя из отличия их физического состояния. Для улова тумана кислоты предложены волокнистые фильтры, на которых оседают частицы (капли) кислоты.
Известен одноступенчатый вихревой абсорбер с низкоскоростными фильтрующими элементами [3], состоящий из корпуса с патрубками входа газов и жидкой фазы, патрубками выхода газа и жидкости, трубы циркуляции жидкости и трубы перетока. Внутри корпуса находится вихревое контактное устройство, собранное из набора согнутых пластин, в верхней своей части переходящее в центральную трубу отвода газа, и ряд вертикальных рукавных фильтрующих элементов, закрепленных на верхней тарелке.
Отходящие газы подаются в аппарат, где происходит их контакт с диспергированной водой или слабой азотной кислотой, которые раскручиваются газовым потоком в вихревом контактном устройстве. Далее газы поднимаются вверх, проходят через центральную трубу и входят в ряд вертикальных фильтрующих элементов, где туман кислоты улавливается волокнистыми фильтрами в виде капель жидкости, которые стекают по переточным трубкам на тарелку брызголовушки, с которой через патрубок выводятся из аппарата в виде раствора кислоты.
Также известен вихревой одноступенчатый абсорбер с двухкратной фильтрацией газа [3], внутри корпуса которого, кроме вихревого контактного устройства, в верхней части переходящего в сепаратор, имеются рукавные фильтры первичной и вторичной фильтрации.
Вихревые абсорберы с фильтрами, по сравнению с насадочными колоннами и пленочными абсорберами, имеют ряд существенных преимуществ: они более дешевые, не требуют большого числа насосов, не имеют вращающихся и трущихся узлов, не требуют помещения и постоянного технологического обслуживания, работают под разряжением [1, стр. 84]. Улов кислоты достигает 99% [3].
Вихревые аппараты с фильтрующими элементами для абсорбции паров и тумана азотной кислоты позволяют сократить материалоемкость аппаратов абсорбции газов для процессов нитрации в 50-100 раз по сравнению с распространенными зарубежными насадочными аппаратами [4, стр. 166].
Однако представленные вихревые абсорберы с фильтрующими элементами имеют достаточно сложные конструкции, обусловленные наличием переточных трубок для стекания уловленных капель тумана, способных засоряться при попадании твердой фазы в газовый поток, или двух видов фильтров для первичной и вторичной фильтрации, создающих дополнительное гидравлическое сопротивление газовому потоку, что обусловливает определенные трудности при их эксплуатации из-за необходимости установки, например, более мощных воздуходувок. Все это негативным образом сказывается на работе туманоуловителей с вихревыми контактными устройствами, снижая их надежность и эффективность.
Целью и техническим результатом настоящего изобретения является усовершенствование аппарата с вихревым контактным устройством для отделения паров кислот и аэрозолей от газового потока и создание такой конструкции, при которой устраняются вышеуказанные недостатки вихревых абсорберов с фильтрующими элементами, а именно, обеспечивается высокая эффективность работы за счет самонастраивания аппарата под колебания расхода газовой и жидкой фазы в больших пределах, надежность эксплуатации при любых соотношениях контактирующих фаз и возможность обслуживания в широком диапазоне устойчивой работы устройства.
Указанная цель изобретения и его технический результат достигаются тем, что туманоуловитель с вихревым контактным устройством (Фиг. 1) состоит из корпуса с тангенциально расположенным патрубком входа 1 газовой фазы, патрубком выхода 2 очищенной газовой фазы, патрубками входа 3 и выхода 4 жидкой фазы, входа 5 и выхода 6 циркуляционной жидкости, разделенного тарелкой 7 на верхнюю 8 камеру с фильтрующими элементами 9, которые крепятся к верхней тарелке 10, и на нижнюю 11 камеру с вихревым контактным устройством (ВКУ) 12, которое в верхней части переходит в патрубок 13, соосно установленный на тарелке 7 и соединяющий нижнюю 11 и верхнюю 8 камеры, при этом внутри нижней части ВКУ 12 дополнительно установлен усеченный конус 14 для формирования газового потока, а внутри фильтрующей камеры 8 над патрубком 13 расположен конус-распределитель 15 с отверстиями для равномерного распределения газового потока, поступающего на фильтрующие элементы 9. Патрубок входа 1 газовой фазы имеет сужение со стороны, противоположной тангенциальному вводу патрубка в нижнюю часть 11 аппарата, причем размер патрубка в точке сужения составляет не менее 0,5 от исходного диаметра патрубка.
Верхняя фильтрующая камера 8 расположена между тарелками 7 и 10, последняя из которых сверху прикрыта крышкой 16, переходящей в патрубок 2 для выхода очищенной газовой фазы.
Подача газовой фазы (например, паров и тумана азотной кислоты) в аппарат осуществляется через патрубок 1, тангенциально расположенный относительно нижней части аппарата. Особенностью конструкции патрубка 1 подачи газовой фазы является его сужение со стороны, противоположной тангенциальному вводу патрубка. Размер патрубка Н в точке сужения составляет не менее 0,5 от исходного диаметра D патрубка, т.е. 0,5 D≤Н≤D (Фиг. 2). Такая особенность конструкции подводящего газовую фазу патрубка 1 создает дополнительную «раскрутку» жидкой фазы на внутренней поверхности корпуса аппарата в нижней его части 11, обеспечивая дополнительную ступень контакта газа с жидкостью и повышая эффективность работы аппарата при малых скоростях поступления газовой фазы.
Основными отличительными признаками представленного изобретения от любых других являются:
1. высокая эффективность работы аппарата при малых скоростях поступления газовой фазы или при их колебаниях в широком диапазоне за счет конструкции тангенциального входного патрубка газовой фазы с сужением, обеспечивающей дополнительную ступень контакта газа с жидкостью;
2. высокая эффективность протекающих физико-химических процессов за счет организации дополнительного контакта фаз, в том числе внутри вихревого контактного устройства, имеющего в нижней части усеченный конус для дополнительного формирования газового потока, взаимодействующего с жидкой фазой;
3. обеспечение надежной бесперебойной работы аппарата в широком диапазоне соотношений контактирующих фаз и повышение межремонтного интервала волокнистых фильтров за счет установки конуса-распределителя газового потока, поступающего на фильтрующие элементы;
4. легкость в обслуживании аппарата за счет простоты конструкции и его ремонтопригодности;
5. самонастраиваемость аппарата в широком диапазоне устойчивой работы.
Вышеперечисленные отличительные признаки данного изобретения в совокупности обеспечивают получение положительного технического результата.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображен аппарат с вихревым контактным устройством, вертикальный разрез; на фиг. 2 - аппарат, поперечный разрез в области вихревого контактного устройства.
Аппарат работает следующим образом. Поступление газовой и жидкой фазы в аппарат осуществляются в прямоточном режиме под разряжением. Перед началом работы через патрубок входа жидкости 3 нижняя камера 11 аппарата заполняется жидкой фазой до полного закрытия патрубка циркуляционной жидкости 5. Контроль уровня жидкости в аппарате ведется, например, визуально через смотровое окно 17, расположенное на нижней контактирующей части 11 корпуса аппарата.
После заполнения аппарата жидкостью через патрубок 1 в аппарат подается газовая фаза. За счет тангенциального расположения патрубка ввода газа с дополнительным сужением происходит захват имеющейся в аппарате жидкости газовым потоком, в результате чего увеличивается площадь контакта фаз и жидкость приобретает вращательно-поступательное движение. Проходя через тангенциально расположенные вертикальные пластины 18 вихревого контактного устройства 12, жидкость раскручивается дополнительно. Оптимальная скорость газа в щелях вихревого контактного устройства составляет 12-25 м/с.
Усеченный конус 14 внутри нижней части вихревого контактного устройства 12 осуществляет формирование газожидкостного потока, отбрасывая его на внутреннюю поверхность ВКУ и создавая дополнительный контакт с вновь поступающими порциями закрученного газового потока, прошедшего через тангенциально расположенные щели. В результате увеличиваются время и площадь контакта фаз, обеспечивая эффективность работы аппарата.
На внутренней поверхности вихревого контактного устройства 12 образуется вращающийся высокотурбулизированный капельный слой жидкости, который взаимодействует с вновь подходящими порциями газового потока, поступающего через патрубок 1. Процесс диспергирования жидкой фазы происходит непрерывно, вследствие чего многократно обновляется поверхность контакта фаз.
Капли жидкости, подхваченные и увлекаемые газовой фазой, за счет центробежных сил отбрасываются по патрубку 13 в верхнюю фильтрующую камеру 8 на тарелку 7 и конус-распределитель 15, по которому частично перетекают в свободное пространство на тарелке 7. Газовый поток, пройдя через отверстия конуса-распределителя 15, равномерно распределяется в фильтрационном пространстве, ограниченном цилиндрической частью 19 верхней камеры 8, поступает в фильтрующие элементы 9 и, освободившись от тумана кислоты за счет его улова волокнами фильтра, далее проходит через отверстия в верхней тарелке 10 и через патрубок 2 в съемной крышке 16 выводится из аппарата. Частичный брызгоунос с конуса-распределителя 15 на фильтрующие элементы 9 обеспечивает дополнительное улучшение улова тумана на фильтрующих элементах 9.
Капли уловленных жидких частиц при контакте с поверхностью волокон фильтрующих элементов в результате коалесценции образуют на них пленки жидкости, которые по мере накопления стекают в виде струек под действием силы гравитации по поверхности фильтрующих элементов 9 и далее - по поверхности конуса-распределителя 15 в нижнюю свободную полость на тарелке 7. Уровень жидкости на тарелке 7 для ее гарантированного слива через патрубки 4 и 6 обеспечивается высотой патрубка 13.
Через патрубок 6 по циркуляционной линии 6-5 жидкость поступает в нижнюю часть 11 аппарата, а через патрубок 4, который расположен выше патрубка 6, выводится из него. Очищенный от тумана газовый поток, после его прохождения через фильтрующие элементы 9 и соответствующие отверстия в верхней тарелке 10, имеющие диаметр, равный внутреннему диаметру фильтрующих элементов, через патрубок 2 выводится из аппарата.
В случае снижения расхода газа в аппарате происходит заполнение жидкостью нижней части 11 корпуса до уровня, при котором скорость газа в щелях тангенциально расположенных пластин 18 вихревого контактного устройства 12 обеспечивает раскрутку жидкости и ее дальнейший транспорт в верхнюю часть 8 аппарата, благодаря чему происходит саморегулирование и самонастраивание работы аппарата, в том числе при колебаниях расхода газовой и жидкой фазы в больших пределах.
Преимуществом изобретения является то, что предложенная конструкция аппарата за счет усеченного конуса 14 в нижней части 11 вихревого контактного устройства 12 позволяет сформировать направленный газожидкостной поток внутри самого контактного устройства, который за счет процесса раскручивания максимально прижимается к внутренней поверхности контактного устройства и контактирует с новыми порциями газового потока, проходящими через тангенциально расположенные пластины, что повышает эффективность межфазного контакта и обеспечивает максимальную его интенсивность. В результате улучшается абсорбция жидкой фазой паров кислот, содержащихся в газовой фазе, и повышается эффективность газоочистки аппарата.
Установленный над патрубком 13 конус-распределитель 15 осуществляет равномерное распределение поступающего газового потока в верхней камере 8, позволяя избегать максимальных ударных нагрузок на фильтрующие элементы 9, тем самым обеспечивая надежность работы аппарата при любых расходах газовой фазы. Наличие конуса-распределителя 15 положительным образом сказывается на снижении изношенности волоконных фильтров и повышении межремонтного срока эксплуатации фильтрующих элементов. Кроме того, конус-распределитель выступает в роли брызгоотбойника, обеспечивая беспрепятственное прохождение газовой фазы к фильтрующим элементам, но снижая на них нагрузку по жидкой фазе.
Сужение подводящего в аппарат тангенциального патрубка 1 газовой фазы (Фиг. 2) в месте его ввода (размером не менее 0,5 от исходного диаметра патрубка) интенсифицирует межфазный контакт даже при низких скоростях подачи газа в аппарат за счет дополнительной раскрутки жидкости и газа на внутренней поверхности нижней части 11 аппарата, обеспечивая эффективную его работу в широком диапазоне расхода газовой фазы. Сужение подводящего патрубка 1 превращает нижнюю часть 11 аппарата в односопловое вихревое контактное устройство, причем скорость газового потока регулируется степенью сужения исходного патрубка в месте его ввода, обеспечивая максимальную скорость при размере сужения 0,5 от исходного диаметра патрубка. При сужении патрубка подачи газа размером менее 0,5 от исходного диаметра будет наблюдаться высокое сопротивление аппарата, которое приведет к повышенным энергозатратам, либо к невозможности прокачки газа газодувкой через аппарат.
Таким образом, представленная конструкция туманоуловителя с вихревым контактным устройством достаточно проста, удобна и надежна в эксплуатации, обеспечивает высокую эффективность протекающих физико-химических процессов в широком диапазоне соотношений контактирующих фаз, легкость в обслуживании аппарата, его ремонтопригодность и повышение межремонтного интервала волокнистых фильтров. Гарантирует самонастраиваемость аппарата для устойчивой бесперебойной работы по газовой и жидкой фазам.
На основе данного изобретения возможно создание современных, компактных, высокотехнологичных установок, состоящих из нескольких аналогичных аппаратов с вихревыми контактными устройствами для очистки отходящих газов от паров и тумана кислот и для их регенерации с повторным использованием.
Литература
1. Забелин Л.В. Очистка воздуха от кислотных выбросов в производствах нитратов целлюлозы: Известия Томского политехнического университета, 2003. - Т. 206, №1. - Стр. 83-88.
2. Технико-экономические аспекты промышленной экологии: Учебное пособие для вузов / Я.С. Амиров, Р.Н. Гимаев, Н.Р. Сайфуллин. - Уфа: Уфим. гос. нефтяной техн. ун-т, 1995. - 4.1: Защита атмосферного воздуха - 274 с.
3. https://www.engineer-oht.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=398:2013-09-17-04-19-30&catid=150:2013-09-17-04-04-06&Itemid=184 «Разработка и внедрение вихревой абсорбции оксидов азота».
4. Новые технологии и аппараты для решения экологических проблем производства энергонасыщенных материалов / Махоткин А.Ф., Петров В.И., Халитов Р.А., Махоткин И.А. // Бутлеровские сообщения. - 2015. - Т. 41, №1. - С. 163-167.