Биконусное центробежное распределительное устройство для жидкости

Заявленное техническое решение относится к распределителям жидкости тепломассообменных колонн и может быть использовано в различных отраслях химической, фармацевтической, пищевой промышленности, в теплоэнергетике, в системах пылегазоочистки, где широко применяются аппараты с интенсивным взаимодействием газа с каплями распыленной жидкости.
Из предшествующего уровня техники известны конструкции центробежных распределительных устройств (Пажи Д.Г., Корягин А.А., Ламм Э.А. Распыливающие устройства в химической промышленности, М, «Химия», 1975, 200 стр.), в которых распылитель жидкости выполнен в форме диска.
Технический результат данным устройством не может быть достигнут, так как дисковый распылитель не обеспечивает распределение жидкости по всему сечению аппарата и вращение диска создается с помощью электродвигателя.
Известна конструкция распределительного устройства типа сегнерова колеса с радиальной регулируемой щелью и активной турбиной (Олевский В.М. и др. Пленочная тепло- и массообменная аппаратура. М.: Химия, 1988, с. 76-77). Данная конструкция состоит из кольцевого канала для подвода жидкости к радиальным лопастям турбины, двух распределительных и двух главных каналов, направленных в противоположные стороны от оси вращения и имеющих регулируемые щелевые отверстия.
Технический результат данным устройством не может быть достигнут, так как равномерность распределения жидкости по всему сечению аппарата не обеспечивается из-за того, что жидкость истекает через щели, направленные в противоположные стороны относительно оси вращения (под углом 180°С). Вследствие того, что радиус приложения силы в активной турбине мал, создается и малый крутящий момент. Это приводит к неравномерному распределению жидкости по всему объему аппарата.
Известна конструкция центробежного устройства для контактирования газа с жидкостью для проведения массообменных процессов (Патент RU 2257934, МПК B01D 3/30, 2005), протекающих в центробежном поле. Устройство содержит вертикальный цилиндрический корпус и установленные в нем по высоте контактные горизонтальные перегородки с переливными отверстиями, под каждым из которых расположен заглушенный снизу и жестко закрепленный на вращающемся валу разбрызгивающий жидкость цилиндр, в котором переливные отверстия в смежных контактных перегородках смещены относительно друг друга с образованием в корпусе каскада для жидкости. В контактных перегородках выполнены проходные отверстия для вращающихся валов. Разбрызгивающие жидкость цилиндры выполнены сетчатыми.
Технический результат данным устройством не может быть достигнут, так как посредством распыливания и разбрызгивания жидкости в газовом потоке, а также контакта в тонкой пленке жидкости во внутренней части пленочного цилиндра не обеспечивается равномерность орошения жидкости вследствие перекрытия зон цилиндрами и валами.
Известен распылитель дисковый (Патент RU 2460589, МПК В05В 3/12, 2012), содержащий корпус с внутренней камерой, в которой закреплены сопла, причем каждое из сопел содержит полый цилиндрический корпус, который состоит из цилиндрической части с внешней резьбой для подсоединения к штуцеру распределительного трубопровода, подводящего жидкость, конической переходной части и цилиндрической части с большим размером диаметрального сечения, и с внутренней резьбовой поверхностью, а соосно корпусу в его нижней части закреплено сопло, образованное цилиндрической поверхностью с внешней резьбой, взаимодействующей с цилиндрической частью корпуса, при этом цилиндрическая поверхность сопла переходит в коническую поверхность и замыкается торцевой, перпендикулярной оси корпуса, глухой перегородкой, с жиклером в ее центре, выполненным осесимметричным соплу и состоящим из цилиндрического и конического дроссельных отверстий, соединенных последовательно, причем больший диаметр конического отверстия расположен на глухой перегородке сопла, при этом корпус и сопло образуют три соосных между собой внутренних цилиндрических камеры, а на сопле со стороны, противоположной подводу жидкости, выполнен дополнительный ряд жиклеров, которые образованы по крайней мере тремя парами взаимно перпендикулярных вертикальных каналов для прохода жидкости и горизонтальных каналов, которые пересекаются на конической боковой поверхности сопла и образуют выходные отверстия каждого из жиклеров, при этом парные каналы расположены под прямым углом друг к другу в продольных плоскостях корпуса, а коническая боковая поверхность сопла выполнена с углом при вершине, равным 90°.
Технический результат данным устройством не может быть достигнут, так как, вследствие сложности конструкции, трудно обеспечить равномерную подачу распределяемой жидкости к каждому соплу, что не позволяет получить равномерное распределение ее по всему сечению колонны.
В известном центробежном распылителе жидкости (Патент RU 2449840, МПК В05В 3/12, 2012), содержащем устройство загрузки, распылительную насадку, на боковой поверхности которой выполнены отверстия, расположенные горизонтальными рядами, распылительная насадка представляет собой усеченный конус, размещенный меньшим основанием вниз и диаметр отверстий в рядах увеличивается от нижнего ряда к верхнему.
Технический результат данным устройством не может быть достигнут, так как энергия на распыление жидкости подводится от электродвигателя, что увеличивает энергозатраты.
Известен центробежный распылитель жидкости (Патент RU 2449839, МПК В05В 3/12, 2012), содержащий устройство загрузки, распылительную насадку, в которой размещены сопловые трубки с каналами при этом сопловые трубки расположены горизонтальными рядами и их длина в рядах меняется от нижнего ряда к верхнему, причем каналы в сопловых трубках имеют переменную в сечении форму - от цилиндрической в месте крепления трубок к прямоугольной на краю.
К недостаткам данного центробежного распылителя следует отнести сложность конструкции, невысокое качество распыла и неравномерность распределения объемной плотности капель по сечению аппарата.
Известно центробежное распределительное устройство (Патент RU 158009, МПК B01D 53/18, 2015), в котором распределитель выполнен в виде полого перевернутого усеченного конуса, установленного на двух соосных опорах, жестко закрепленных на крестовинах, отверстия выполнены по всей поверхности распределителя по многозаходной спирали, а радиальные лопатки и наклонные лопатки установлены с возможностью изменения угла наклона к горизонтальной поверхности распределителя, причем вращение распределителя создается за счет потока жидкости орошения и восходящего потока газа в колонне.
Технический результат может быть достигнут только частично, так как нижняя часть конического распределителя занята опорой, что ухудшает орошение центральной зоны колонны, следовательно нарушает равномерность распределения жидкости и снижает эффективность работы колонны.
Наиболее близким по конструкции распределителем жидкости (Патент RU 163474, МПК B01D 53/18, B01D 53/24, B01D 3/30, 2016), выбранным в качестве прототипа, является центробежное распределительное устройство для жидкости, включающее вращающийся распределитель в виде двух вложенных один в другой усеченных конусов, жестко соединенных кольцевыми перфорированными дисками, установленный на опоре, жестко закрепленной на крестовине, снабженный по периферии внутренней части радиальными лопатками и расположенными по внешнему контуру наклонными лопатками, установленными с возможностью изменения угла наклона к основанию распределителя, причем отверстия для орошающей жидкости на внутреннем конусе расположены выше наружного усеченного конуса, а наружный усеченный конус выполнен с отверстиями по всей поверхности и снабжен жестко закрепленным центральным распределителем в виде перфорированного перевернутого стакана с жестко закрепленной на нем опорой.
Технический результат может быть достигнут только частично, так как не обеспечивается возврат жидкости из зазора между наружным и внутренним конусами конического распределителя, что ухудшает равномерность распределения жидкости и снижает эффективность работы колонны, кроме того, конструкция распределителя сильно усложнена.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в разработке центробежного распределительного устройства жидкости, обеспечивающего равномерное распределение жидкости по сечению устройства, что обеспечивает эффективность работы насадочных аппаратов.
Техническим результатом предлагаемой конструкции биконусного центробежного распределительного устройства для жидкости является повышение эффективности массообменных аппаратов, в которых они применяются, а также снижение энергозатрат на вращение распределителя за счет использования энергии входящего потока жидкости и внутреннего потока газа.
Технический результат достигается при использовании биконусного центробежного распределительного устройства для жидкости, включающего, установленного на оси, жестко закрепленной на крестовине, вращающийся распределитель, выполненный в виде жестко соединенных двух вложенных один в другой усеченных конусов, наружный усеченный конус которого выполнен с отверстиями по всей поверхности и снабжен центральным распределителем в виде установленного на оси перфорированного перевернутого стакана, снабженный по периферии внутренней части радиальными лопатками и расположенными по внешнему контуру наклонными лопатками, установленными с возможностью изменения угла наклона к основанию распределителя, при этом распределительное устройство снабжено центрирующей крестовиной с ограничительным кольцом, установленной на оси по скользящей посадке над радиальными лопатками распределителя, внутренний диаметр ограничительного кольца составляет 0.6 большего диаметра наружного усеченного конуса, внутренний усеченный конус выполнен сплошным, а его меньший диаметр равен диаметру дна наружного усеченного конуса, при этом усеченные конусы соединены сплошным кольцом, выполненным в виде полутора.
Сущность технического решения заключается в направляемом движении жидкости по соответствующим поверхностям биконусного центробежного распределительного устройства, обеспечивающем равномерное разбрызгивание всего объема жидкости.
На чертеже представлен общий вид конструкции биконусного центробежного распределительного устройства для жидкости в разрезе.
Биконусное центробежное распределительное устройство для жидкости, состоит из вращающегося распределителя 1, выполненного в виде жестко соединенных двух вложенных один в другой наружного 2 и внутреннего 3 усеченных конусов. Вращающийся распределитель 1 установлен на оси 4, жестко закрепленной в опоре 5 на крестовине 6. Наружный усеченный конус 2 выполнен с отверстиями 7 по всей поверхности и снабжен центральным распределителем 6в виде установленного на оси 4 перфорированного перевернутого стакана. Внутренний усеченный конус 3 выполнен сплошным. При этом меньший диаметр (диаметр меньшего основания) внутреннего усеченного конуса 3 равен диаметру дна 9 (диаметр меньшего основания) наружного усеченного конуса 2, а сами усеченные конусы 2 и 3 соединены сплошным кольцом 10, выполненным в виде полутора.
По периферии внутренней части вращающегося распределителя расположены радиальные лопатки 11, по внешнему контуру - наклонные лопатки 12, установленные с возможностью изменения угла наклона к основанию распределителя 1.
Над радиальными лопатками 11 распределителя 1 на оси 4 посредством втулки 13 по скользящей посадке установлена центрирующая крестовина 14 с ограничительным кольцом 15. Внутренний диаметр ограничительного кольца 15 составляет 0.6 большего диаметра (диаметра большего основания) наружного усеченного конуса 2.
Патрубки 16 для тангенциальной подачи жидкости на радиальные лопатки 11 направлены в противоположные стороны.
Биконусный центробежный распределитель работает следующим образом: входной поток жидкости из патрубков 16 направляется на радиальные лопатки 11, под действием энергии струи центробежный распределитель жидкости начинает вращаться, жидкость попадает во внутренний усеченный конус 3, выполняющий направляющую функцию, затем, закручиваясь, стекает на дно 9 наружного усеченного конуса 2 и на центральный распределитель 8. При этом через отверстия в дне 9 и стакане центрального распределителя 8 жидкость разбрызгивается в центральную часть колонны. Под действием центробежных сил жидкость в виде уменьшающейся по высоте толщины слоя жидкости поднимается по внутренней стенке наружного усеченного конуса 2, разбрызгиваясь из отверстий по его сечению. При избытке жидкость пленкой движется по наружной стенке внутреннего усеченного конуса 3. Исключительную задачу выполняет центрирующая крестовина 14 с втулкой 13, которая обеспечивает соосность наружного 2 и внутреннего 3 усеченных конусов, что исключает биение вращающегося распределителя жидкости, которое может нарушить распределение жидкости.
Соосность всех элементов биконусного центробежного распределителя жидкости обеспечивалась путем печати на 3D принтере.
Предлагаемые конструктивные элементы биконусного центробежного распределителя имеют по сравнению с прототипом и базовым объектом следующие преимущества:
- обеспечивается непосредственное поступление распределяемой жидкости на дно перфорированного распределителя с последующим подъемом жидкости по стенке усеченного конуса под действием центробежных сил и равномерным разбрызгиванием жидкости через отверстия в стенке;
- функционально связанные элементы предлагаемого биконусного центробежного распределителя, соосно установленные на вертикальной оси устройства, обеспечивают плавный вход жидкости к упомянутым элементам конфузора;
- установка центрирующей крестовины со скользящей втулкой обеспечивает соосность наружного и внутреннего усеченных конусов исключает биение вращающегося распределителя жидкости, что улучшает распределение жидкости по сечению колонны;
- предлагаемая конструкция биконусного центробежного распределителя исключает разбрызгивание жидкости через верхний край распределителя за счет установки ограничительного кольца.
Предлагаемая конструкция биконусного центробежного распределителя распечатана на 3D принтере и на ней проведены экспериментальные исследования, подтвердившие работоспособность устройства.
Таким образом, предлагаемая конструкция центробежного распределительного устройства для жидкости позволяет увеличить поверхность контакта и обеспечить равномерное распределение жидкости по сечению устройства, что повышает эффективность массообмена, а использование энергии входного потока жидкости позволяет снизить энергозатраты на вращение распределителя.