ВИХРЕВОЕ КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО
VORTEX CONTACT DEVICE

Изобретение относится к контактным устройствам многоступенчатых тепломассообменных аппаратов для проведения ректификации, дистилляции, абсорбции, десорбции, экстракции и может быть использовано в биотехнологии, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.
Известны различные контактные устройства тепломассообменных аппаратов, работающих в системе газ-жидкость, взаимодействие фаз в которых осуществляется в закрученном потоке. Они включают контактные патрубки, установленные на полотно тарелок, снабжены завихрителями, узлами ввода и вывода жидкости и газа.
Так в массообменном аппарате [А.с. СССР SU 498009, B01D 3/26, B01D 3/30, 1974 г.] тарелка выполнена в виде полотна, на котором плотно закреплен контактный патрубок, снабженный в нижней части многолопастным завихрителем и узлом подвода жидкости в зону контакта с вышележащей тарелки, а в верхней части - отбойным устройством в виде колпачка для сепарации фаз. Узел подвода жидкости выполнен в виде U-образной трубки, один конец которой закреплен в полотне вышележащей ступени, а второй конец - по центру контактного патрубка над завихрителем, заглушен сверху и снабжен отверстиями на боковой поверхности. Такое конструктивное решение, по мнению авторов, способствует расширению устойчивой работы аппарата, снижает межтарельчатый унос и улучшает массообмен.
Однако эта тарелка отличается малым временем и поверхностью контакта фаз, а также вторичным уносом капель жидкости из-под сепарационного колпачка, что значительно снижает тепломассообмен, особенно при больших нагрузках по жидкой фазе.
Известно контактное устройство для тепло-, массообменных и сепарационных процессов, включающее контактный цилиндрический патрубок, вертикально жестко установленный на опорное полотно, выполненное с отверстием для подачи газа, контактный цилиндрический патрубок снабжен средством для подачи жидкости и выполнен с отверстиями - снизу для подачи газа, сверху для его выхода, в верхней части контактного патрубка установлен съемник пленочной жидкости, в контактном патрубке соосно с ним установлен статический лопастный завихритель [патент RU 2647312, B01D 3/30, B01D 45/14, 2017 г.]. Завихритель выполнен многолопастным, вход завихрителя расположен в нижней части контактного патрубка, лопасти завихрителя выполнены каждая в виде удлиненной пластины и веерно расположены под острым углом к оси контактного патрубка с частичным наложением на соседние пластины, наружные боковые кромки лопастей образуют коническую поверхность завихрителя, ориентированную большим основанием вверх, внутренние кромки каждой лопасти выполнены с образованием щелевых зазоров между соседними лопастями, высота конуса завихрителя больше внутреннего диаметра контактного патрубка в 1,2-1,4 раза, суммарное проходное сечение щелевых зазоров между лопастями конического завихрителя составляет 0,9-1,1 внутреннего сечения контактного патрубка, средство для подачи промывочной жидкости расположено ниже завихрителя.
Недостатками являются сложность конструкции и низкая эффективность тепломассообмена при высоких нагрузках по жидкой фазе из-за захлебывания устройства.
Известно контактное устройство для тепломассообменного аппарата [патент RU 2780517, МПК B01D 3/30, 2022 г.], включающее цилиндрический патрубок, вертикально жестко установленный на опорное полотно, выполненное с отверстием для подачи газа (пара). Патрубок снабжен перфорированной крышкой для распределения жидкости. Нижняя часть патрубка имеет равномерно расположенные по окружности отверстия для слива жидкости, выше которых до верхнего края патрубка вырезаны, по меньшей мере, восемь равномерно расположенных по окружности вертикальных щелевидных прорезей прямоугольной формы, причем суммарная площадь сечений щелевидных прорезей равна площади внутреннего диаметра патрубка. Отношение высоты патрубка к его внутреннему диаметру составляет от 1,0 до 1,5.
Недостатком аналога является попадание паров (газов) в кольцевое пространство между патрубком и корпусом тепломассообменного аппарата через отверстия для слива жидкости, а также вторичным уносом капель жидкости из этого пространства.
В качестве прототипа выбрана контактная тарелка для вихревых тепломассообменных аппаратов [патент RU 2152240, МПК B01D 3/26, B01D 3/30, 1996 г.], состоящая из полотна, на котором установлен контактный патрубок с завихрителем в нижней части и отбойником над ним, который снабжен внутренним и внешним цилиндрами и расположен коаксиально контактному патрубку. Полотно снабжено узлами подачи и отвода жидкости с полотна тарелки и подвода жидкости в завихритель. Внутренний цилиндр выполнен с глухим основанием с образованием полости, в которую помещен патрубок подачи жидкой фазы. Нижний срез наружного цилиндра выполнен с отбортовкой, расположенной с зазором к стенке аппарата и полотну с образованием кармана, причем полость этого кармана сообщена с узлом подвода жидкости в завихритель.
Недостатком прототипа является небольшая поверхность контакта фаз, так как взаимодействие газа происходит только со стекающей жидкостью на ступени, что недостаточно эффективно и в результате приводит к увеличению числа тарелок, тем самым повышая металлоемкость тепломассообменной колонны.
Технической проблемой является разработка вихревого контактного устройства, в котором устранены недостатки прототипа и аналога.
Технический результат достигается вихревым контактным устройством, которое включает закрепленный на полотне цилиндрический контактный патрубок, снабженный внешним цилиндром, расположенным коаксиально контактному патрубку, устройство отвода жидкости с полотна, отбойное устройство. Отбойное устройство имеет отверстия для прохода газа (пара), расположенные по окружности над кольцевым зазором между внешним цилиндром и контактным патрубком, причем с наружной стороны внешний цилиндр окружен рубашкой с патрубками подачи и отвода промежуточного теплоносителя. Диаметр рубашки составляет от 1,05 до 1,1 диаметра внешнего цилиндра.
Техническим результатом является обеспечение высокой интенсивности перемешивания за счет увеличения поверхности контакта фаз в виде закрученных газожидкостных потоков, что позволяет увеличить эффективность процессов тепломассообмена при упрощении конструкции и снижении металлоемкости контактного устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 изображен продольный разрез варианта компоновки тепломассообменного аппарата с предлагаемым вихревым контактным устройством;
- на фиг. 2 его поперечный разрез А-А на фиг. 1.
Вихревое контактное устройство (см. фиг. 1, 2) включает полотно 1, цилиндрический контактный патрубок 2, внешний цилиндр 3, расположенный коаксиально контактному патрубку 2, устройство 4 отвода жидкости с полотна 1, отбойное устройство 5 с отверстиями 6 для прохода газа (пара), расположенными по окружности над кольцевым зазором между внешним цилиндром 3 и контактным патрубком 2. С наружной стороны внешний цилиндр 3 окружен рубашкой 7 с патрубком 8 подачи и патрубком 9 отвода промежуточного теплоносителя. Рубашка 7 представляет собой герметичный объем, примыкающий к наружной стенке внешнего цилиндра 3 по всей высоте, в котором находится промежуточный теплоноситель (в частном случае оборотная вода). Диаметр рубашки 7 составляет от 1,05 до 1,1 диаметра внешнего цилиндра 3, вследствие повышенной скорости промежуточного теплоносителя и достижения больших коэффициентов теплопередачи. Увеличение диаметра рубашки 7 от указанного диапазона ведет к увеличению сопротивления, а уменьшение - к недостаточному поддержанию температуры промежуточного теплоносителя.
Выше устройства 4 отвода жидкости с полотна 1 контактный патрубок 2 имеет равномерно вырезанные по окружности до верхнего края патрубка 2 вертикальные прорези 10 прямоугольной формы для прохода газа (пара), суммарная площадь которых равна площади внутреннего диаметра контактного патрубка 2 (см. фиг. 2). Причем устройство 4 отвода жидкости представляет собой равномерно расположенные по окружности квадратные отверстия в нижней части патрубка 2 для обеспечения непрерывного отвода жидкости с полотна 1, количество которые совпадает с числом прорезей 10. Опорное полотно 1 имеет гидрозатвор 11, который исключает попадание паров (газов) в кольцевое пространство между патрубком 2 и внешним цилиндром 3 через отверстия для отвода жидкости. Все это расширяет диапазон эффективной устойчивой работы устройства, особенно при повышенных расходах жидкой фазы.
При многоступенчатой компоновке тепломассообменного аппарата вихревые контактные устройства устанавливаются по всей высоте на расстоянии друг от друга в необходимом для реализации процесса количестве, образуя между отбойным устройством 5 нижележащего контактного устройства и полотном 1 вышележащего контактного устройства сепарационную зону, где стекающая жидкость разбивается восходящим потоком газа (пара) на отдельные струи и капли.
Вихревое контактное устройство работает следующим образом. Газ (пар) движется снизу вверх и поступает в контактный патрубок 2 через центральное отверстие, выполненное в полотне 1. Далее он движется через прямоугольные прорези 10, резко ускоряясь и разделяясь на два вихря, вращающиеся в противоположные стороны. Таким образом в кольцевом пространстве между контактным патрубком 2 и внешним цилиндром 3 по всей высоте формируется стабильное вихревое движение.
Жидкость поступает в контактное устройство сверху на отбойное устройство 5, соударяясь о его поверхность, дробится на капли, а также в виде пленки перераспределяется через отверстия 6 в кольцевое пространство между контактным патрубком 2 и внешним цилиндром 3, где встречается с восходящим закрученным потоком газа (пара). Таким образом, из стекающей пленки жидкости по стенкам кольцевого пространства между контактным патрубком 2 и внешним цилиндром 3 под действием газа (пара) срываются отдельные капли и струи жидкости, образуя при этом по всей высоте газо-(паро) жидкостное закрученное течение, которое характеризуется постоянно обновляющейся поверхностью контакта фаз, высокими коэффициентами тепло- и массоотдачи, которые способствуют увеличению эффективности контактного устройства. Далее основная часть распавшейся жидкости под действием центробежных сил отбрасывается к стенке внешнего цилиндра 3, где создается пленочное течение. При этом жидкость, достигая прорезей 10, частично попадает внутрь контактного патрубка 2, где также взаимодействует с восходящим потоком газа (пара). Брызгоунос жидкости исключается наличием в верхней части патрубка 2 отбойного устройства 5. Другая часть жидкости проходит через отверстия для отвода жидкости и отводится из контактного устройства 2, встречая на своем пути по опорному полотну 1 гидрозатвор 11, который предотвращает попадание паров (газов) в кольцевое пространство между патрубком 2 и внешним цилиндром 3 через отверстия для отвода жидкости. Расстояние между полотном 1 и верхней частью прямоугольных отверстий для отвода жидкости равно высоте слоя жидкости на полотне 1, соответствующего критической скорости газа. Переливаясь через гидрозатвор 11, жидкость стекает на отбойное устройство 5 нижележащего контактного устройства, встречается в зоне сепарации с восходящими парами, вышедшими через отверстия 6 нижележащего контактного устройства, где происходит отделение газа от жидкости под действием центробежных и гравитационных сил. Отсепарированный поток газа (пара) направляется снизу-вверх в цилиндрический патрубок 2 вышележащего контактного устройства. Также для увеличения поверхности теплообмена в рубашку 7 через патрубок 8 подается промежуточный теплоноситель, поступающий снизу и отводящийся сверху через патрубок 9. Благодаря охлаждению газожидкостного потока при прохождении через стенку, отделяющую рубашку 7 от кольцевого зазора между внешним цилиндром 3 и патрубком 2, значительно интенсифицируются процессы тепломассообмена, поверхность контакта фаз постоянно обновляется, увеличивается время контакта фаз. Высокие удельные тепловые потоки через стенку рубашки 7 позволяют наиболее эффективно передавать теплоту охлаждающему агенту в рубашке 7 при конденсации паров в кольцевом пространстве.
2
Предлагаемое вихревое контактное устройство обеспечивает формирование закрученного течения газа (пара) и капель жидкости в вертикальном канале предлагаемого устройства, что формирует высокую интенсивность перемешивания в поперечном сечении устройства, увеличивая эффективность тепло- и массопереноса. При этом проведенные численные исследования показывают, что на внутренней стенке корпуса устройства достигаются значения коэффициентов теплоотдачи равной 14747 Вт/(м⋅K) при средней скорости течения жидкости равной 1 м/с. Таким образом, создание условий для увеличения скоростей движения контактирующих фаз относительно друг друга и непрерывное обновление межфазной поверхности, в том числе и за счет наличия рубашки, способствует повышению эффективности работы контактного устройства. Наличие гидрозатвора исключает возможность проскока газовой фазы, что расширяет диапазон эффективной работы устройства, особенно при повышенных расходах жидкой фазы и малой нагрузке газовой. Простота конструкции контактного устройства дает возможность снижения объема и веса тепломассообменных аппаратов.
Предлагаемое вихревое контактное устройство обеспечивает высокую эффективность проведения тепломассообменных процессов между жидкостью и газом (паром) при высоких и низких нагрузках по жидкости. Устройство имеет простую конструкцию и может использоваться в тепломассообменных аппаратах для проведения процессов ректификации, дистилляции, абсорбции, десорбции, экстракции.