ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ДИСКОВЫЙ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ
HORIZONTAL DISC HEAT- AND WEIGHT EXCHANGING DEVICE

Изобретение относится к процессам и аппаратам химического машиностроения и может быть использовано в энергетической, нефтегазовой, химической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности для ректификации, абсорбции, вакуумной выпарки, десорбции, концентрации и т.п. процессах в системе газ-жидкость, а также в абсорбционных системах, направленных на предотвращение выбросов паров углеводородов в атмосферу на нефтеперерабатывающих заводах, автозаправочных станциях (АЗС) и т.п.
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 тарельчатых (каскадных), насадочных пленочных колоннах (см. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., Химия, 1972, с.322, 323, 329-331, 373).
При этом интенсивность тепло- и массообмена определяется скоростями движения потоков газа и жидкости и в значительной мере зависит от величины и формы поверхности контактирования, объемной однородности процесса. Однако увеличение интенсивности тепло- и массообмена приводит к росту газодинамического сопротивления (иногда локального), уносу капель жидкости, что приводит к увеличению "объема и высоты успокоительных камер" и, как следствие, усложнению конструкции и увеличению габаритов тепло- и массообменных аппаратов.
Как правило для тарельчатых колонн высота теоретической ступени разделения (на которой происходит один полный цикл испарения-конденсации - акт однократного разделения) составляет приблизительно 0,4-0,5 метра. Теоретически количество тарелок колонны должно соответствовать числу теоретических ступеней разделения. Однако эффективность тарелок колонны обычно не превышает 50%. Поэтому реальная высота разделения в тарельчатой колонне примерно в два раза превышает теоретическую. При этом цикл однократного испарения-конденсации "размывается" по высоте на две и более тарелок, что в совокупности с необходимостью введения "успокоительных" камер и приводит к большой высоте колонн.
Переход к насадочным колоннам позволил перейти от ступенчатых циклов к непрерывным - по всей высоте колонн. Это позволило снизить реальную высоту теоретической ступени разделения для промышленных колонн (при одновременном увеличении их диаметра) до 0,4 метра. Однако увеличение диаметра привело к неоднородности протекания процессов (байпас эффекты и т.п.), что потребовало введения конструктивных решений по выравниванию распределения и взаимодействия в системе газ-жидкость (переход к регулярным насадкам и др.). Эти мероприятия привели и к увеличению удельной поверхности насадок, и к увеличению их высоты.
Близким к изобретению является устройство для проведения процессов тепло- и массообмена путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков, частично погруженных в жидкость (см. авт. св. СССР 223766, кл. В01D 45/10, 1968 г.).
Достоинством пленочных аппаратов является низкое гидравлическое сопротивление по рабочему тракту.
Основной проблемой данного устройства является то, что интенсивность контактного взаимодействия газового потока с жидкостью - пленкой на поверхности дисков определяется скоростью газового потока и частотой вращения дисков, увеличение которых ограничено возможностью срыва пленки и уносом капель.
Известны тепло-массообменные аппараты (TMOA), 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 (см. авт. СССР 262096, кл. B01J 8/10, 1970 г., авт. св. СССР 971437, кл. В01D 45/18, 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 и время контакта фаз.
Известен также тепло-массообменный аппарат, содержащий корпус с газовым каналом и патрубками для подвода и отвода газа, в нижней части которого расположена ванна с жидкостью, и вращающийся горизонтальный вал с приводом, снабженный дисками, частично погруженными в жидкость (см. авт. св. СССР 223766, кл. В01D 45/10, 1968 г.).
Вал в данном аппарате установлен поперек газового канала, т.е. в плоскости, направленной поперек газового потока, что увеличивает поверхность контакта газа с жидкостью и формирует продольное обтекание дисков с низким гидравлическим сопротивлением, но ограничивает функциональные возможности устройства, т.к. не позволяет эффективно использовать его для массообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с жидкостью.
Близким к изобретению является механический пленочный тепло-массообменный аппарат (см. В.М.Рамм «Абсорбция газов». Москва, «Химия», 1976 г., стр.321-322), содержащий цилиндрический корпус, снабженный образующими секции разделительными кольцевыми перегородками, закрепленными в корпусе. В каждой секции на валу закреплен сплошной диск, к каждому из которых по бокам прикреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленных 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 зигзагообразный радиально-осевой газовый канал, а в нижней части - жидкостной канал, что, в принципе, позволяет эффективно использовать его для тепло-массообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с пленкой жидкости, обеспечивая существенно более низкое гидравлическое сопротивление, при возможности достижения практически идеальной равномерности и стабильности процессов тепло-массообмена в каждой секции.
Однако в таких аппаратах возникает противоречие между эффективностью организации процесса тепло-массообмена и крайней сложностью его конструктивной реализации, связанной с обеспечением допустимых осевых зазоров между крайними (в пакетах) кольцевыми контактными дисками и разделительными перегородками, обеспечения высокой точности и сложности изготовления и сборки (разрезных) секций корпуса и ротора. Комплекс этих обстоятельств приводил к росту их стоимости (на 60-200%), габаритов (осевых более чем на 40-60%), сложности в эксплуатации, снижению эффективности, и, как следствие, потере их преимуществ и конкурентоспособности.
Известен также тепло-массообменный аппарат (см. патент РФ №2152245, кл. B01D 53/18, 47/18 от 29.06.98 г.), содержащий цилиндрический корпус с внешней термоизоляцией, 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 погруженными 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, малыми габаритами, низкой стоимостью,
Однако, как показала практика, область использования таких аппаратов несколько ограничена по максимальному диаметру корпуса, а следовательно, по производительности, что вызвано сложностью обработки удлиненных цилиндрических поверхностей большего диаметра (более 400 мм) с целью обеспечения минимальных зазоров между торцами разделительных кольцевых перегородок и корпусом для минимизации перетока флегмы (жидких компонентов) и паровой фазы между секциями. Последнее обстоятельство может приводить к снижению качества разгонки жидких смесей и ограничению области их использования: - ректификационными аппаратами непрерывного действия, десорберами, испарителями, массообменными аппаратами и т.п.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению следует отнести тепло- и массообменный аппарат (прототип - патент РФ №2200054, кл. B01D 53/18, 47/18 от 19.12.01 г.), содержащий корпус, состоящий из цилиндрической части корпуса и днищ с как минимум одним фланцем, в верхней части которых установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный набором разделительных кольцевых перегородок, установленных между цилиндрических вставок и скрепленных между собой с внутренней стороны цилиндрических вставок продольными шпильками, закрепленными с одной стороны в крайней разделительной кольцевой перегородке набора, а с другой - во фланце корпуса и образующих секции, в каждой из которой на вращающемся вале установлен сплошной диск, на боках которого закреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленные с зазором относительно цилиндрических вставок, вала, друг друга и разделительных кольцевых перегородок и образующих контактные пакеты, которые частично погружены в жидкость и которые совместно с цилиндрическими вставками и разделительными кольцевыми перегородками формируют зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потока газа по проточной части аппарата. 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 ГДТМОА обладает всеми выше приведенными достоинствами, присущими горизонтальным дисковым тепло-массообменным аппаратам.
Недостатками данного аппарата, как показала практика, являются:
- низкая технологичность и трудоемкость изготовления высокоточных (по ширине и чистоте торцевых поверхностей) цилиндрических вставок (бандажей) между разделительными кольцевыми перегородками;
- сложность совмещения и уплотнения отверстий в цилиндрических вставках с отверстиями в корпусе для подвода и отбора разделяемых однородных жидких смесей, что связано с необходимостью обеспечения двойного герметичного соединения штуцеров, - как с внешним корпусом, так и с отверстиями в цилиндрических вставках (бандажах), образующих внутренние стенки секций, как следствие сложности обеспечения соосности данных отверстий при их сборке (переборке).
Кроме того, наличие застойных зон между основным корпусом и внутренним корпусом, образованных выступающими частями разделительных кольцевых перегородок относительно цилиндрических вставок, создает проблемы при получении особо чистых компонентов или пищевых продуктов, а в комплексе - приводит к ограничению областей их применения, снижению эксплуатационных свойств аппаратов, технологичности их изготовления и увеличению стоимости ГДТМОА.
К недостаткам данной схемы ГДТМОА также следует отнести отсутствие возможности объективного контроля зазоров между крайними дисками контактных пакетов и разделительными кольцевыми перегородками в ходе их сборки, так как бандажи перекрывают доступ для инструментального контроля зазоров (после установки бандажей). Это обстоятельство потребовало введения технологических бандажей с "окнами" для предварительной сборки с проведением инструментального контроля, так как обеспечение гарантированного зазора необходимо при работе данных аппаратов во взрывоопасных средах с целью исключения возможности искрообразования при контакте вращающихся дисков с неподвижными разделительными кольцевыми перегородками.
Изобретение направлено на создание более эффективных и компактных ГДТМОА, обеспечивающих большую чистоту разделяемых смесей, обладающих большей производительностью, более технологичных в изготовлении и эксплуатации, допускающих многократную стерилизацию, более дешевых, с повышенной надежностью при работе с взрывоопасными парогазовыми смесями, с расширением областей их применения в нефтегазовой, химической, микробиологической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в горизонтальном дисковом тепломассообменном аппарате (ГДТМОА), содержащем цилиндрический корпус с днищами и, как минимум, одним разъемным фланцем, с установленными в них патрубками подвода и отвода рабочих компонентов, снабженный набором разделительных кольцевых перегородок, образующих секции, продольные шпильки, проходящие сквозь разделительные кольцевые перегородки по их периферии и закрепленные с одной стороны - во фланцевом соединении корпуса, а с другой - в крайней разделительной кольцевой перегородке набора, вал, установленный в подшипниках с уплотнениями в днищах корпуса, жестко установленных на валу в каждой секции сплошных дисков, на которых закреплены кольцевые контактные диски с зазором относительно вала, друг друга, разделительных кольцевых перегородок и корпуса и образующих контактные пакеты, которые частично погружены в жидкость, и которые совместно с разделительными кольцевыми перегородками формируют зигзагообразное, радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа и жидкости, согласно изобретению разделительные кольцевые перегородки в осевом направлении жестко закреплены относительно друг друга распорными втулками, установленными на продольных шпильках между разделительными кольцевыми перегородками, при этом разделительные кольцевые перегородки оснащены по их внешнему диаметру накладными разрезными упругими уплотнительными кольцами, установленными с возможностью радиального перемещения и которые через упорные шайбы в осевом направлении поджимаются к разделительным кольцевым перегородкам пружинами, установленными, например, на распорных втулках в секциях, при этом аппарат снабжен дополнительным эксцентриковым валом, установленным аналогично продольным шпилькам, на котором закреплены эксцентриковые втулки с эксцентричными отверстиями, в которых размещены хвостовики разрезных колец и при повороте которого изменяется радиальная высота разрезных колец с их радиальным перемещением до упора в цилиндрическую поверхность корпуса, при этом эксцентриковый вал снабжен фиксатором углового положения относительно корпуса, расположенным со стороны одного из днищ, и системой уплотнения.
Заявленный комплекс конструктивных решений позволяет достигнуть поставленных целей и обеспечивает:
- свободный доступ для объективного визуального контроля зазоров между крайними дисками контактных пакетов и разделительными кольцевыми перегородками в ходе их сборки;
- возможность монтажного сжатия разрезных колец при установке блока контактных пакетов в цилиндрический корпус;
- требуемую степень уплотнения разделительных кольцевых перегородок за счет поворота эксцентрикового вала с изменением радиальной высоты разрезных колец и их радиальным перемещением до упора в цилиндрическую поверхность;
- исключить застойные зоны в секциях ГДТМОА (между корпусом и наружной стороной бандажа, как в прототипе);
- увеличить диаметр и площадь проходного сечения (или диаметр и площадь контактных дисков) по внешнему зазору между КД и цилиндрической частью корпуса в секциях (примерно на 10% и увеличить производительность аппарата);
- возможность отбора (или ввода) продуктов из любой секции ГДТМОА;
- приемлемые условия для многократной промывки и стерилизации полости ГДТМОА.
Целесообразно уплотнения по внешнему диаметру разделительных кольцевых перегородок выполнить в виде упругих уплотнительных колец круглого сечения.
Такое конструктивное исполнение позволяет использовать для изготовления разрезных колец калиброванную проволоку и прутки и, тем самым, обеспечить высокую технологичность их изготовления в серии.
Целесообразно эксцентриковые втулки соединить с эксцентриковым валом через упругий элемент, например, пружину.
Такое конструктивное исполнение позволяет передавать крутящий момент на эксцентриковые втулки через упругий элемент, например, пружину и, тем самым, обеспечить постоянство поджатия разрезных колец к цилиндрической поверхности корпуса, компенсировать погрешности изготовления цилиндрической поверхности корпусов большого диаметра и разрезных колец, обеспечить высокую технологичность изготовления системы уплотнения разделительных дисков в серии.
Целесообразно разрезные упругие уплотнительные кольца покрыть эластичным материалом, например силиконовым каучуком.
Покрытие упругих уплотнительных колец эластичным материалом обеспечивает более плотный контакт уплотнительных колец с деформированными или не обработанными контактными поверхностями и позволяет добиться более эффективного уплотнения зазоров, что необходимо в аппаратах периодического действия с высокой чистотой разгонки.
Целесообразно эксцентриковый вал в его части, расположенной внутри корпуса, выполнить из прутка с, например, профилем его сечения в виде шестигранника, а посадочные отверстия втулок с эксцентричными отверстиями - с аналогичным профилем под скользящую посадку.
Использование стандартного сортамента прутков с, например, шестигранным профилем их сечения для изготовления эксцентриковых валов и эксцентриковых втулок со штампованными, соответственно, под них шестигранными отверстиями (по скользящей посадке), резко упрощает технологию изготовления эксцентрикового вала и системы уплотнения разделительных дисков.
Целесообразно при проведении процесса ректификации эксцентриковый вал устанавливать в верхней части аппарата, а при проведении процесса абсорбции - в нижней части аппарата.
Это мероприятие позволяет уменьшить неконтролируемое перетекание флегмы между секциями при проведении ректификации, и парогазовой смеси - при проведении абсорбции газов.
Целесообразно при проведении процесса ректификации устанавливать два эксцентриковых вала со смещением относительно друг друга на угол от ±10°, при этом эксцентриковые втулки одного эксцентрикового вала должны быть соединены с хвостовиками разрезных колец, установленных с одной стороны разделительных кольцевых перегородок, а эксцентриковые втулки второго вала - с хвостовиками разрезных колец, установленных с другой стороны разделительных кольцевых перегородок, при этом до вывода аппарата на рабочий режим вводятся в положение уплотнения (до упора в цилиндрическую поверхность корпуса) разрезные кольца от поворота одного эксцентрикового вала, а после вывода на рабочий режим - разрезные кольца от поворота второго эксцентрикового вала.
Использование двух, последовательно вводимых в уплотнение групп разрезных колец позволяет при проведении ректификации повысить чистоту разделения продуктов (компонентов) за счет уменьшения неконтролируемого перетекания флегмы между секциями и вероятности образования в кольцевой полости между парой разрезных уплотнений застойной зоны с концентрацией компонентов, характерной начальному моменту разгонки разделяемой смеси.
Целесообразно при проведении процесса абсорбции в нижней части разделительных кольцевых перегородок выполнить отверстия для дополнительного протока абсорбента.
Введение отверстий в нижней части разделительных кольцевых перегородок позволяет в 3-5 раз увеличить проток абсорбента между секциями и, тем самым, увеличить полноту улавливания парогазовых смесей.
Целесообразно при проведении процессов тепломассообмена количество контактных дисков в контактных пакетах (КП), при постоянном зазоре между контактными дисками, устанавливать из расчета обеспечения, примерно, постоянной, близкой к оптимальной скорости течения парогазовой смеси (ПГС) в зазорах между контактными дисками, а в последнем КП, по сравнению с предшествующим, количество контактных дисков увеличить на 30-80%.
Такое техническое решение позволяет, за счет уменьшения толщины контактных пакетов (по ходу движения ПГС) и, соответственно, уменьшения площади их проходного сечения в радиальном направлении, поддерживать высокую скорость течения ПГС, близкую к оптимальной на всех контактных пакетах и, тем самым, обеспечить более высокую эффективность взаимодействия контактирующих фаз. Снижение скорости течения ПГС в последнем КП, по сравнению с предшествующим, за счет увеличения количества контактных дисков и проходного сечения на 30-80%, позволяет исключить вынос капель из аппарата. В совокупности это позволяет уменьшить длину ГДТМОА на, примерно, 10% или добавить 1-3 пакета контактных дисков и увеличить эффективность (или производительность) аппарата (при одинаковой, по сравнению с прототипом, длине ГДТМОА).
На фиг.1 схематично представлен общий вид тепломассообменного аппарата с системой уплотнения в варианте с накладными упругими разрезными кольцами. На фиг.2 и 4 представлено сечение ГДТМОА (А-А, на фиг.1) с видом на разделительную кольцевую перегородку и втулку с эксцентричными отверстиями, в которых установлены упругие разрезные уплотнительные кольца (в сжатом (фиг.2) и разжатом (фиг.4) положении). На фиг.3, 5 и 7 схематично представлен фрагмент продольного сечения ГДТМОА с видом (В-В, фиг.2) на разрезные кольца, продольную шпильку с установленными на ней распорными втулками, прижимными пружинами и упорными шайбами (на фиг.3 разрезные кольца сжаты, на фиг.5, 7 - разжаты). На фиг.6 - схематично представлен фрагмент продольного сечения ГДТМОА с видом (С-С, фиг.2) на эксцентриковый вал в варианте с двойным уплотнением кольцевой перегородки (на фиг.8 - с односторонним уплотнением) и с системой уплотнения и фиксации углового положения кулачкового вала. На фиг.9 (сечение А-А, см. фиг.1) и фиг.11 (сечение С-С, см. фиг.2) - в варианте размещения эксцентрикового вала в верхней части аппарата (при проведении процесса ректификации и др.). На фиг.10 приведен вид Д (см. фиг.7) на разрезное кольцо с эластичным покрытием в рабочем положении. На фиг.12 приведена схема ГДТМОА для абсорбции газов (вариант II), в котором количество контактных дисков в контактных пакетах установлено из расчета обеспечения, примерно, постоянной, близкой к оптимальной скорости течения парогазовой смеси (ПГС).
Горизонтальный дисковый тепломассообменный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с днищем 2 и днищем с фланцем 3 и патрубками подвода 4, 5 и отвода 6, 7 рабочих компонентов. Внутри корпуса размещен набор разделительных кольцевых перегородок 8 с центральными отверстиями, которые образуют секции 9. Кольцевые перегородки 8 скреплены между собой, фланцем 3 и крайней разделительной перегородкой набора, расположенными по их периферии, продольными шпильками 10 с установленными на них (между перегородками 8) распорными втулками 11. Внутри каждой секции на вале 12 жестко установлены сплошные контактные диски 13, к которым посредством стягивающих шпилек 16 и шайб 17 с зазором относительно друг друга жестко прикреплены кольцевые контактные диски 14, образующие контактные пакеты 15. Для предотвращения нерасчетного перетекания рабочих смесей и паровой фазы между секциями по зазорам между разделительными кольцевыми перегородками 8 и цилиндрической стенкой корпуса 1, кольцевые перегородки 8 оснащены накладными разрезными упругими уплотнительными кольцами 18 с упорными шайбами 19 и прижимными пружинами 20. Хвостовики 24 разрезных уплотнений 18 установлены в отверстия эксцентриковых втулок 22, размещенных с возможностью осевого люфта (относительно фиксирующих штифтов 23) на эксцентриковом вале 21 (см. фиг.6, вариант 1). Эксцентриковые втулки 22 могут также размещаться и на шестигранном эксцентриковом вале 21 с возможностью осевого скольжения (см. фиг.6, вариант 2), что обеспечивает более простую сборку. Эксцентриковые втулки 22 поджаты к кольцевым перегородкам 8 пружинами 20. Цилиндрическая часть эксцентрикового вала 21 может быть выведена наружу через систему уплотнения 26 (предпочтительно в днище с фланцем 3) и оснащена фиксатором углового положения 25 (например, как показано на фиг.8 и 11). В процессе сборки набора контактных пакетов и разделительных кольцевых перегородок эксцентриковый вал 21 поворачивается и фиксируется в положении монтажного сжатия разрезных колец, что необходимо при установке блока контактных пакетов в цилиндрический корпус 1 (см. фиг.2, 9). После установки цилиндрического корпуса 1 и фиксации днища с фланцем 3, эксцентриковый вал поворачивается в обратном направлении (на угол в 70-90°) в рабочее положение (см. фиг.4, 5, 7). В ходе поворота эксцентрикового вала изменяется радиальная высота разрезных колец с их радиальным перемещением до упора в цилиндрическую поверхность корпуса 1, после чего эксцентриковый вал 21 фиксируется фиксатором углового положения 25. В ходе эксплуатации установки при, например, операциях промывки и стерилизации ГДТМОА эксцентриковый вал 21 может (многократно) поворачиваться с целью обеспечения протока промывочной жидкости и устранения застойных зон.
При изготовлении установок большого диаметра (более 300 мм) по низкому квалитету точности, как минимум, один конец разрезного упругого кольца 18 целесообразно соединять с эксцентриком через упругий элемент, например пружину 27, что обеспечит компенсацию погрешности изготовления корпуса 3 и разрезных колец 18. С целью снижения стоимости изготовления за счет сокращения технологических операций упругие уплотнительные кольца 18 целесообразно изготавливать из калиброванных прутков круглого сечения.
В ректификационных аппаратах, предназначенных для высокой степени очистки (разгонки) фракций и работающих с переменной нагрузкой, могут быть использованы двойные уплотнения (см. фиг.5, 6) или использованы упругие уплотнительные кольца 18 с эластичным покрытием 28, например кемприком из силиконового каучука и др. (см. фиг.10). При этом эксцентриковый вал 36 целесообразно размещать в верхней части корпуса (см. фиг.9, 11) или использовать два эксцентриковых вала, с размещением одного вала 36 в верхней (фиг.9 и 11), а второго вала 21 - в нижней части корпуса (фиг.8, 9), что позволит уменьшить неконтролируемое перетекание флегмы (жидкости) между секциями при проведении ректификации и вероятности образования в кольцевой полости между парой разрезных уплотнений застойной зоны с концентрацией компонентов, характерной начальному моменту разгонки разделяемой смеси.
Вал 12 с пакетами контактных дисков 15 установлен в блоках 34 и 35 (см. фиг.1) с подшипниками и уплотнениями и соединен с мотор-редуктором 31. Для программного отбора (или ввода) получаемых продуктов (компонентов, абсорбента и т.п.) секции ГДТМОА могут быть оснащены патрубками 29 (для подвода или отвода рабочих смесей, дистиллята и компонентов) с системами программного отбора, включающих регулируемые вентили 32 и датчики температуры 33 (а при необходимости - электроклапаны с датчиками уровня, поплавковые клапана и т.п. (не показаны)).
Процесс тепло- и массообмена осуществляется следующим образом.
Поток газа поступает в газовый канал через патрубок 4, проходит в полость первого пакета (по ходу движения газа), ограниченную поперечным сплошным диском 13 первого пакета (15) и разделительной перегородкой 8. Далее газ разворачивается на 90° и по радиальным зазорам между кольцевыми контактными дисками (КД) 14, а затем (с разворотом на 90°) по осевому каналу поступает в полость следующей секции, разворачивается на 90° и поступает в радиальные зазоры между кольцевыми контактными дисками второго контактного пакета (КП), выходит во внешний кольцевой канал второй полости, вновь разворачивается на 90° и поступает в радиальные зазоры второй половины этого же пакета, разворачивается на 90° и поступает в осевой канал следующей секции, и т.д. до его выхода из аппарата через патрубок 6.
При вращении вала 12 с пакетами 15 контактных дисков, кольцевые контактные диски 14 частично погружаются в смачивающую их жидкость с образованием на их поверхности пленки жидкости. (При проведении процесса абсорбции и ректификации, жидкость (абсорбент или флегма) поступает в полость ГДТМОА по патрубку 5, последовательно перетекает из секции в секцию с выходом через патрубок 7).
r
При этом контактное взаимодействие фаз происходит при радиальном течении потока газа, который, протекая в целом по аппарату в осевом направлении, при последовательном переходе из полости одного пакета радиальных зазоров - хода газового канала, через полость очередной (по ходу течения газа) секции, меняет свое (радиальное) направление движения на противоположное, обтекая вращающиеся контактные диски 14 - с обеих сторон со скоростью W, т.е. совершает в пределах газового канала многоходовое, зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное движение.
Безотрывное течение пленки жидкости (на расчетных режимах) по поверхности вращающихся дисков 14 и реализация центробежного сепарирующего эффекта за счет поворота потока газа исключает возможность возникновения капельного уноса, что приводит к уменьшению габаритов аппарата, поскольку при этом отпадает необходимость в создании значительного сепарационного пространства. Кроме того, наличие конвективных потоков жидкости в стекающей пленке, регулируемых изменением частоты вращения дисков 14, в условиях достаточно сложного перекрестно-смешанного 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.
Установка разделительных кольцевых перегородок 8 (с уплотнениями по внешнему диаметру) на продольных шпильках 10 с установленными на них распорными втулками 11 между разделительными кольцевыми перегородками 8 позволяет не только упростить конструкцию тепло-массообменного аппарата (преимущественно для решения задач ректификации и дистилляции), но и обеспечить высокую технологичность сборки и разборки аппаратов без специальной оснастки, повысить их производительность и эксплуатационные характеристики. При необходимости (при повышенных расходах, например, абсорбента в абсорбционных аппаратах), в нижней части разделительных кольцевых перегородок 8 могут быть выполнены отверстия для увеличения протока жидкости между секциями.
В зависимости от вида процесса и его требуемой эффективности на разделительных кольцевых перегородках 8 уплотнения 18 могут выполняться:
- с установкой одного (см. фиг.7, 8) или двух контактных упругих разрезных колец 18 (см. фиг.3, 5 и 6) - по одному с каждой стороны;
- в виде накладных упругих разрезных уплотнительных колец 18 с эластичным покрытием 28 (см. фиг.10).
Очевидно, что уменьшение доли перепуска газа (и жидкости) по зазорам между соседними секциями тепло-массообменного аппарата и строгим выдерживанием осевых зазоров между пакетами кольцевых контактных дисков и разделительными кольцевыми перегородками ведет к увеличению эффективности аппарата (см. патент РФ №2152245, кл. B01D 53/18, 47/18 от 29.06.98 г.).
Необходимость введения уплотнений возникает из-за сложности обеспечения высокой точности обработки внутренней поверхности корпуса ГДТМОА, погрешностей сборки и температурных расширений в процессе эксплуатации (с учетом обеспечения механической работоспособности системы). В результате радиальные зазоры между разделительными кольцевыми перегородками и цилиндрической частью корпуса, и осевые зазоры между пакетами кольцевых контактных дисков и разделительными кольцевыми перегородками, как правило, превышают величину оптимальных рабочих зазоров, что приводит к росту доли перепуска ПВС до 10-15% и, соответственно, к снижению эффективности и равномерности процессов тепломассообмена на контактных дисках и, как следствие - требует увеличения числа контактных пакетов и длины ГДТМОА.
На практике величина зазоров (по условиям обеспечения сборки) между разделительными кольцевыми перегородками и цилиндрической частью корпуса (с учетом его возможной эллипсности) при его диаметре ~ 400-700 мм может составлять до 2-4 мм, что ухудшит эффективность процесса.
Введение эффективных упругих контактных уплотнений (для данных перепадов давления) между секциями, разделительными кольцевыми перегородками и цилиндрическим корпусом, в сочетании с возможностью осуществления строгого (визуального) инструментального контроля осевых зазоров между пакетами кольцевых контактных дисков и разделительными кольцевыми перегородками позволяет достигнуть требуемой высокой эффективности и равномерности протекания процессов тепломассообмена на контактных дисках.
При проведении процессов абсорбции (и др.), по мере поглощения абсорбируемого газа, объем парогазовой смеси быстро уменьшается, что приводит (при постоянном количестве контактных дисков в контактных пакетах (КП)) к снижению скорости течения парогазовой смеси и снижению коэффициента массопереноса. Пропорциональное уменьшение количества контактных дисков в контактных пакетах (т.е. уменьшение проходного сечения КП в радиальном направлении при сохранении постоянных зазоров между контактными дисками), из расчета обеспечения, примерно, постоянной, близкой к оптимальной скорости течения парогазовой смеси (ПГС) в зазорах между контактными дисками, позволяет обеспечить более высокую эффективность взаимодействия контактирующих фаз и поддерживать максимальную эффективность массопереноса на КП.
Увеличение количества контактных дисков в последнем КП, по ходу течения ПГС и, соответственно, проходного сечения на 30-80%, позволяет снизить скорости течения ПГС между КД и исключить вынос капель из аппарата. В совокупности данные мероприятия позволяют уменьшить длину ГДТМОА или, добавить 1-3 пакета контактных дисков и увеличить эффективность (или производительность) аппарата (при одинаковой длине ГДТМОА).
Предложенная конструкция ГДТМОА с фиксацией разделительных кольцевых перегородок 8 на продольных шпильках 10 между распорными втулками 11 и оснащение разделительных кольцевых перегородок уплотнениями зазоров по внешнему диаметру, выполненных, например, в виде накладных разрезных упругих уплотнительных колец 18 круглого сечения, установленных с возможностью радиального перемещения, их поджатием через упорные шайбы 19 в осевом направлении к разделительным кольцевым перегородкам 8 пружинами 20, установленными, например, на распорных втулках 11, его снабжение дополнительным эксцентриковым валом 21, установленным аналогично продольным шпилькам, на котором закреплены втулки 22 с эксцентричными отверстиями и в которых установлены хвостовики 24 разрезных колец 18, при повороте которого изменяется радиальная высота разрезных колец с их радиальным перемещением до упора в цилиндрическую поверхность корпуса 1, оснащение эксцентрикового вала фиксатором углового положения 25, расположенным со стороны одного из днищ (3) и снабженного системой уплотнения 26, позволяет:
- на этапе сборки обеспечить свободный доступ для инструментального контроля зазоров между крайними дисками контактных пакетов и разделительными кольцевыми перегородками (до установки цилиндрической части корпуса 1 с фланцевым днищем 3 с целью исключения возможности искрообразования при контакте вращающихся дисков с неподвижными разделительными кольцевыми перегородками (что недопустимо при работе данных аппаратов во взрывоопасных средах);
- возможность монтажного сжатия разрезных колец при установке блока контактных пакетов в цилиндрический корпус;
- обеспечить более технологичный и необходимый уровень уплотнения зазоров между секциями, исключающее нерасчетное перетекание жидкости и газа между секциями, что позволит повысить эффективность протекания тепло- и массообменных процессов, а главное - существенно упростить эксплуатацию аппарата;
- позволяет на ~10% увеличить производительность аппарата (при том же диаметре корпуса) за счет увеличения диаметра и площади проходного сечения (или диаметра и площади контактных дисков) по внешнему зазору между КД и цилиндрической частью корпуса в секциях;
- возможность прямого отбора (или ввода) продуктов из любой секции ГДТМОА;
- возможность введения смотровых окон для визуального контроля процесса;
- исключить застойные зоны в полости аппарата (что было характерно у прототипа), что позволяет использовать их для получения особо чистых продуктов и способствует расширению областей применения аппарата;
- приемлемые условия для многократной промывки и стерилизации аппаратов.
По сравнению аппаратами "вертикального" типа аналогичного назначения в данном аппарате при работе на расчетных режимах не возникает "байпас-эффектов" и не происходит размывания пленки флегмы на огромной поверхности контактных дисков (как в насадных колоннах) даже при существенно больших скоростях течения паровой фазы (от 1 до 3,5 м/с, в зависимости от вязкости флегмы), так как она непрерывно восстанавливается при вращении дисков (с заданной частотой), частично погруженных в жидкость (флегму), которая в свою очередь непрерывно перетекает от секции к секции (со стороны дефлегматора), как и в тарельчатых колоннах, обеспечивая фазовое равновесие по всем контактным пакетам (в каждой секции) в процессе всего периода работы, что позволяет (в варианте ректификационного аппарата) непрерывно отбирать с соответствующих секций аппарата высокообогащенный дистиллят постоянного состава.
Ключевыми достоинствами аппаратов данного типа являются:
- в 3-7 раз больший (чем в существующих тарельчатых и насадочных колоннах) коэффициенты тепло- и массопереноса в условиях безотрывного течения пленки жидкости при непрерывном контактном взаимодействии потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков (в ходе противоточного межсекционного течения жидкости и газа), что обеспечивает в 4-10 раз меньшие габариты ТМОА. При этом высота теоретической ступени разделения выстраивается не в осевом, а в радиальном направлении. Последнее обстоятельство потенциально позволяет достичь наименьшую "высоту" (в данном случае - длину) колонны;
- высокая эффективность тепло- и массообменных процессов в каждой секции аппарата (как следствие стабильности параметров (в том числе и как следствие инерционности процессов)), вызванных большой (проточной) массой жидкости в каждой секции (как и в тарельчатых колоннах), что в сочетании с достаточной аккумулирующей теплоемкостью вращающихся контактных дисков, частично погруженных в жидкость - обеспечивает (для каждого контактного пакета) постоянную температуру поверхности контактных дисков для каждой секции и, тем самым - высокую стабильность процессов испарения - конденсации вдоль поверхности контактных дисков в каждой секции;
- низкий и стабильный температурный градиент между секциями и наименьшее гидравлическое сопротивление обеспечивает высокую степень разделения (очистки) при высокой объемной производительности аппарата;
- крайне низкая чувствительность к изменению нагрузки и возможность существенно большего диапазона регулирования параметров ГДТМОА как за счет изменения входных и выходных параметров, включая температуру и расход подводимых и отводимых - пара, разгоняемой жидкости и дистиллята (флегмы), так и за счет изменения частоты вращения контактных дисков;
- высокий удельный выход полезного продукта при минимальных энергетических затратах и минимальных габаритах аппарата (колонны).
Кроме того, данный аппарат обладает качественно новыми возможностями при проведении вакуумных процессов дистилляции, перегонки, концентрации и др., что связано с низким газодинамическим (гидравлическим) сопротивлением (50-100 мм вод.ст.) по рабочему тракту аппарата в сочетании с большой поверхностью КП и другими вышеприведенными достоинствами.
В целом данный аппарат технологичен, обладает высокой эффективностью, меньшими габаритами, высокой технологичностью изготовления и сборки, низкой стоимостью, а также всеми вышеприведенными достоинствами тарельчатых, насадочных, пленочных и дисковых аппаратов (не наследуя их недостатков) при наименьшем гидравлическом сопротивлении, низкой чувствительности к изменению нагрузки, высокой равномерности протекания процессов, обеспеченных конструктивными решениями и геометрическими характеристиками всех элементов конструкции рабочего тракта аппарата.