АППАРАТ ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Настоящая полезная модель предназначена для проведения тепломассообменных процессов в системе газ-жидкость и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, пищевой промышленности и энергетике.
Аналогом является контактная тарелка для массообменных процессов, на которой установлены сливные стаканы, имеющие вертикальные стенки [патент GB 1422131, B01D 3/20, 1972]. Контактная тарелка разделяется соответствующей опорной балкой по своей диаметральной линии на два участка тарелки. На каждом таком участке тарелки имеется соответствующий ряд параллельных прямоугольных сливных стаканов, расположенных перпендикулярно по отношению к опорной балке. Причем между сливными стаканами расположена барботажная зона с тарелками различных конструкций. Ряд сливных стаканов, находящихся на одном участке, располагается в шахматном порядке относительно другого ряда сливных стаканов, находящихся на противоположном ему участке тарелки. При этом сливные стаканы открыты с верхнего своего конца, а нижний конец снабжен некоторым множеством сливных отверстий для жидкости.
Недостатком аналога является невысокая эффективность и интенсивность протекающих массообменных процессов в барботажной зоне. Кроме того, контактная тарелка вне зависимости от типа установленных контактных устройств обладает высоким гидравлическим сопротивлением, которое обусловлено необходимостью прохождения потока газа через слой жидкости, находящейся в барботажной зоне контактной тарелки.
Аналогом является колонна для контактирования газов с жидкостями, оснащенная некоторым множеством тарелок, расположенных с определенным интервалом относительно друг друга в осевом направлении [патент RU 2252059, B01D 3/20, 2001]. Каждая из тарелок имеет соответственно два участка, разделяющихся один относительно другого по диаметральной линии указанной тарелки. Каждый из участков тарелки содержит некоторое множество параллельных прямоугольных сливных стаканов, некоторое множество принимающих зон для жидкости и барботажную зону, расположенную между сливными стаканами, и принимающими зонами для жидкости. Каждая из принимающих зон для жидкости располагается непосредственно под соответствующим сливным стаканом очередной из последовательно расположенных одна над другой тарелок, которая находится непосредственно сверху, при этом сливные стаканы открыты с верхнего своего конца и закрыты с нижнего конца. Нижний конец снабжен некоторым множеством сливных отверстий для жидкости, а сами сливные стаканы простираются от диаметральной линии в сторону линии окружности тарелки, располагаясь при этом таким образом, чтобы торцы сливных стаканов, размещенных на обоих участках тарелки, занимали соответствующее положение вдоль диаметральной линии в чередующемся положении.
Недостатком аналога является капельный унос жидкости с нижележащей тарелки на вышележащую при увеличении скорости газа, что существенно снижает массообменную эффективность процесса.
Прототипом является контактное устройство для тепломассообменных процессов [патент RU 162855, B01D 3/32, 2016], включающее корпус, патрубки для ввода и вывода технологических потоков газа и жидкости и некоторого количества цилиндрических стаканов со сливными отверстиями и кольцевых каналов, установленных внутри корпуса аппарата, при этом стаканы установлены соосно корпусу, а кольцевые каналы установлены в пространстве между стаканами равноудалено от вышележащего и нижележащего стакана, примыкая к стенкам корпуса, причем внутренний диаметр кольцевых каналов совпадает с наружным диаметром стаканов, а в нижней части боковых стенок стаканов и кольцевых каналов по всему периметру выполнено множество отверстий для стока жидкости.
Недостатком прототипа является относительно невысокая эффективность тепломассообменных процессов, протекающих в пространствах между двумя соседними по высоте стаканами и кольцевыми каналами, где реализуется взаимодействие падающих струй и капель жидкости с восходящим потоком газа; малая жесткость конструкции.
Задачей полезной модели является разработка аппарата для тепломассообменных процессов, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является повышение эффективности тепломассообменных процессов в системе газ-жидкость за счет увеличения жесткости конструкции, увеличения удельной площади поверхности контакта фаз в пространствах между двумя соседними по высоте стаканами и кольцевыми каналами.
Технический результат достигается тем, что в аппарате для тепломассообменных процессов, включающем корпус, патрубки для ввода и вывода технологических потоков газа и жидкости, цилиндрические стаканы со сливными отверстиями и кольцевые каналы в количестве, определяемом технологическим расчетом, установленные соосно внутри корпуса аппарата равноудалено друг от друга, согласно настоящей полезной модели, опорами для стаканов являются изогнутые пластины, установленные в пространстве между кольцевыми каналами параллельно друг другу, примыкающие к стенкам корпуса и имеющие прорези прямоугольной формы, предназначенные для установки соответствующих стаканов.
Сущность полезной модели поясняется следующим чертежами:
- на фиг. 1 изображена схема предлагаемого аппарата для тепломассообменных процессов в продольном сечении;
- на фиг. 2 поперечный разрез аппарата для тепломассообменных процессов.
Обозначения на чертеже:
1 - корпус;
2 - патрубок ввода жидкости;
3 - патрубок вывода жидкости;
4 - патрубок ввода газа;
5 - патрубок для выхода газа;
6 - стаканы;
7 - кольцевые каналы;
8 - изогнутые пластины;
9 - прорези в пластинах;
10 - отверстия для стока жидкости.
Аппарат для тепломассообменных процессов включает корпус 1, патрубок ввода жидкости 2, патрубок вывода жидкости 3, патрубок ввода газа 4, патрубок для выхода газа 5. В корпусе 1 соосно установлены стаканы 6, кольцевые каналы 7. Кольцевые каналы 7 выполнены таким образом, чтобы их внутренний диаметр был равен наружному диаметру стакана 6. При этом стаканы 6 и кольцевые каналы 7 установлены внутри корпуса 1 равноудалено друг от друга (фиг. 1). Опорами для стаканов 6 являются изогнутые пластины 8, установленные в пространстве между кольцевыми каналами 7 параллельно друг другу, примыкая к стенкам корпуса 1, и имеющие прорези 9 прямоугольной формы, предназначенные для установки соответствующих стаканов 6. В днище и в нижней части боковых стенок кольцевых каналов 7 и стаканов 6 по периметру выполнены отверстия 10 для стока жидкости (фиг. 2).
Предлагаемый аппарат работает следующим образом.
Жидкость поступает внутрь корпуса 1 аппарата через патрубок 2 и попадает на поверхность стаканов 6 и кольцевого канала 7, жидкость накапливается в них некоторым слоем. Через отверстия 10 жидкость стекает из стаканов 6 и кольцевого канала 7 в виде отдельных струй и попадает на поверхность нижележащего кольцевого канала 7 и стаканов 6 соответственно, где снова накапливается и, в свою очередь, стекает в виде струй на поверхность следующих нижележащих элементов. Таким образом, жидкость с верхней части аппарата ступенчато перетекает в нижнюю. При движении струй жидкости по поверхности изогнутых пластин 8, имеющих прорези 9 прямоугольной формы для установки соответствующих стаканов 6, происходит распределение жидкости в виде пленки. При этом стекающая пленка жидкости контактирует с восходящим потоком газа, поступающего в аппарат через патрубок 4. Далее образовавшаяся пленка, соударяясь о поверхность жидкости, находящейся внутри стаканов 6 и кольцевого канала 7, создает развитую поверхность контакта фаз. Контакт газа и жидкости происходит при пронизывании восходящего газа струями жидкости, а также в слое жидкости на поверхности стаканов 6 и кольцевых каналов 7. Газ выводится из аппарата через патрубок 5, а жидкость - через патрубок 3. При падении струй на поверхность жидкости в глубину слоя увлекаются пузырьки газа, которые активно перемешивают жидкость, создают развитую постоянно обновляющуюся поверхность контакта фаз, которая определяется наличием относительно небольших газовых пузырей в слое жидкости и вылетающими каплями из жидкости.
Для обеспечения равнопроточности аппарата, а значит минимального гидравлического сопротивления, кольцевые каналы 7 и стаканы 6 установлены таким образом, что пространство между стаканами 6 равноудалено от вышележащего и нижележащего каналов 7, примыкающих к стенкам корпуса 1, причем внутренний диаметр кольцевых каналов 7 совпадает с наружным диаметром стаканов 6.
В предлагаемом аппарате для тепломассообменных процессов по сравнению с прототипом увеличиваются удельная площадь поверхности контакта фаз в пространствах между двумя соседними по высоте стаканами и кольцевыми каналами за счет установки изогнутых пластин с прорезями прямоугольной формы. Причем изогнутые пластины, являясь опорами для стаканов и кольцевых каналов, увеличивают жесткость конструкции. Кроме того, известно, что пленочное течение жидкости характеризуется большими коэффициентами тепло- и массоотдачи, чем распыливание жидкости, поэтому общая эффективность тепломассообменных процессов увеличивается.
Таким образом, в предлагаемом аппарате для тепломассообменных процессов достигается увеличение удельной площади поверхности контакта фаз и коэффициентов тепло- и массоотдачи в пространствах между двумя соседними по высоте стаканами и кольцевыми каналами, что приводит к повышению общей эффективности тепломассообменных процессов в системе газ-жидкость, также достигается увеличение жесткости конструкции.