Массообменный аппарат непрерывного действия

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции массообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых в процессах сушки, абсорбции, адсорбции, десорбции, хемосорбции, ионообмена, выщелачивания, ректификации, мокрой очистки газов, особенно когда одной из фаз является высоковязкая, неньютоновская, структурированная жидкость, высококонцентрированная суспензия или эмульсия и мелкодисперсная твердая фаза и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтегазовой, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах выщелачивания и селективной очистки жидких и газовых неоднородных систем.
Известны конструкции тарельчатых барботажных массообменных аппаратов, представляющих собою вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки - тарелки со сливными устройствами (Тимонин А.С., Божко Г.В., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. и др. Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств. Книга 2 / под общей ред. А.С. Тимонина. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 476 с., Тимонин А.С., Балдин Б.Г., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. Машины и аппараты химических производств / под общей ред. А.С. Тимонина. - Калуга: Изд. «Ноосфера», 2014. - 856 с.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся малая скорость движения высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, высококонцентрированных суспензий или эмульсий и мелкодисперсной твердой фазы по горизонтальным перегородкам, что резко снижает производительность колонны, а также отсутствие возможности регулирования внутренней геометрии аппарата под требования конкретного процесса и аппарата.
Известна конструкция адсорбера непрерывного действия включающего корпус с хроматографическими секциями, внутри которых размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцерами ввода исходного сырья, устройства для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройство для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента, при этом колосниковые и аккумулирующие тарелки установлены под углом к горизонтальной поверхности большим угла трения между материалом гранул и материалом тарелки, причем тарелки в нижней части снабжены патрубками с образованием зазора между их торцами и поверхностью ниже располагающейся тарелки, равного по высоте слоя адсорбента на тарелке (Патент на полезную модель №111022, РФ B01D 53/06 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая поверхность тарелок из-за необходимости установки на каждой из них патрубков для перетекания адсорбента с одной тарелки на другую, что снижает производительность колонны.
Известна конструкция массообменного аппарата, содержащего центральную вертикальную цилиндрическую пустотелую колонну, являющуюся загрузочным патрубком для твердой фазы и снабженную отверстием, расположенным на уровне днища, с закрепленным на ее наружной поверхности спиральным рабочим органом с радиально расположенными перегородками, имеющими козырек, по всей его длине, разгрузочный лоток в конце верхнего витка рабочего органа, разделитель потока на верхнем витке рабочего органа с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, штуцеров для подвода экстрагента и отвода экстракта, установленных с выходом на предпоследний виток рабочего органа и в нижней части аппарата соответственно, при этом спиральный рабочий орган аппарата выполнен сплошным с радиально расположенными перегородками по всей длине его поверхности, высота которых не превышает вертикальную составляющую амплитуды колебаний вибратора (Патент №2257936, РФ B01D 11/02 2005).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность использования данного массообменного аппарата в системах с газовыми и паровыми фазами компонентов, что резко снижает производительность в условиях массообмена с участием газовой или паровой фаз.
Известна конструкция установки для сушки сыпучих материалов, содержащей сушилку с кипящим слоем сыпучего материала в виде цилиндрического корпуса с поярусно расположенными центральными и периферийными перфорированными воронками с перфорациями в виде арочных прорезей для прохода сушильного агента, переточные устройства, патрубки для подвода и отвода сушильного агента и материала, циклон, нории для подачи материала на верхнюю воронку. Установка снабжена шахтной сушилкой большего диаметра, чем цилиндрический корпус, и выполненную в виде аналогичной конструкции, что и цилиндрический корпус. Шахтная сушилка снабжена охладителем с центральными и периферийными воронками для удаления гигроскопической влаги из материала и охлаждения высушенного материала (Патент №2041434, РФ F26B 17/10 1995).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится низкая производительность массообменного аппарата, связанная с неравномерностью времени пребывания гранул высушиваемого материала и высокими энергетическими затратами на осуществление процесса (в связи с необходимостью развития высоких скоростей потока воздуха).
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, патрубков для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, закрепленного на валу, при этом, что корпус в нижней части содержит газораспределительную камеру и перфорированную решетку, отделяющую газораспределительную камеру от шнекового винта, а шнековый винт выполнен однозаходным, при этом радиальные перегородки расположены на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта (Патент №141487, РФ B01D 53/06, B01D 11/02, 2014).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится низкая производительность массообменного аппарата, связанная с не эффективным использованием рабочего объема аппарата.
Задача - разработка конструкции массообменного аппарата непрерывного действия, обладающего широким спектром возможностей регулирования технологических параметров и эффективным использованием рабочего объема аппарата.
Техническим результатом предлагаемого массообменного аппарата непрерывного действия является повышение производительности.
Технический результат достигается при использовании массообменного аппарата непрерывного действия, состоящего из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, при этом полый вал снабжен патрубками для подвода и отвода продуктов массообмена и последовательно установленными собирающими и рассеивающими перфорированными воронками, а поверхность перфорированного шнекового винта выполнена ступенчатой.
Сущностью технического решения является разработка массообменного аппарата непрерывного действия, внутреннее пространство которого используется наиболее эффективно, за счет последовательно установленных собирающих и рассеивающих перфорированных воронок, которые обеспечивают необходимое время пребывание продуктов массообмена в аппарате, что повышает производительность массообменного аппарата. Выполнение ступенчатой поверхности шнекового винта позволяет предотвратить образование застойных зон и добиться наивысшей интенсификации массообменных процессов и равномерности распределения продуктов массообмена, что также повышает производительность массообменного аппарата.
На чертеже показан общий вид массообменного аппарата непрерывного действия в разрезе.
Массообменный аппарат непрерывного действия состоит из вертикального корпуса 1 с патрубками для подвода исходных веществ 2, отвода продуктов массообмена 3 высоковязкой, неньютоновской, структурированной жидкости, высококонцентрированной суспензии, эмульсии или мелкодисперсной твердой фазы (подаваемой фазы), патрубками входа 4 и выхода 5 газовой (паровой, жидкой) фазы, однозаходного шнекового винта 6, со ступенчатой и перфорированной поверхностью, с радиальными перегородками 7, закрепленного на полом валу 8. Газораспределительная камера 9, расположенная в нижней части корпуса 1, отделена от шнекового винта 6 перфорированной решеткой 10. Каждая радиальная перегородка 7 имеет зазор 11 относительно верхней поверхности ступени следующего витка шнекового винта. Вал 8 содержит патрубки для подвода 12 и отвода 13 продуктов массообмена и последовательно установленные собирающие 14 и рассеивающие 15 перфорированные воронки.
Собирающие воронки 14 выполнены в виде усеченных перфорированных конусов, ориентированных вверх большим основанием, а рассеивающие 15 выполнены в виде замкнутых конусов ориентированных вершинами вверх, навстречу поступающему сверху вниз потоку дисперсной фазы. Геометрия и характер перфорации собирающих 14 и рассеивающих 15 воронок диктуется требованиями конкретного массообменного процесса, протекающего в данном аппарате непрерывного действия, реологическими характеристиками контактирующих продуктов массообмена (угол вязкого трения, угол естественного откоса для дисперсных материалов, скорость восходящего потока газа, пара, жидкости) и призвана развивать контакт между продуктами массообмена, обеспечивая равномерное время пребывания дисперсной и сплошной фаз в массообменном аппарате, которое согласуется с потоками, протекающими по внешнему контуру (через перфорированный шнековый винт 6).
Тепломассообменный аппарат непрерывного действия работает следующим образом.
По патрубкам 2 и 12 подаваемая дисперсная фаза (жидкость, суспензия, гранулы дисперсного высушиваемого материала, сорбент, катализатор) поступает в верхнюю часть корпуса 1, затем медленно движется сверху вниз под действием силы тяжести по поверхностям собирающих 14 и рассеивающих 15 перфорированных воронок в центральной части аппарата (далее через патрубок 13 поступает в камеру 9) и верхней ступенчатой поверхности витков шнекового винта 6 через зазоры 11 и выходит из корпуса 1 через патрубок 3. По патрубку 4 в газораспределеную камеру 9 подают восходящий поток сплошной фазы (газа, пара, жидкости), который равномерно распределяется по сечению массообменного аппарата проходя через перфорированную решетку 10 и последовательно установленные в полом валу 8 массообменного аппарата собирающие 14 и рассеивающие 15 перфорированные воронки. Поток сплошной фазы (смеси газов, продуктов реакций, пара, жидкости) проходя через отверстия в ступенчатого перфорированного шнекового винта 6 и перфорацию собирающих 14 и рассеивающих 15 воронок, образует с подаваемой дисперсной фазой барботажный слой, в котором происходит массообмен между подаваемой дисперсной фазой и восходящей сплошной фазой. Поток сплошной фазы (газ, пар, жидкость) выходит из корпуса 1 через патрубок 5. Так как между витками перфорированного шнекового винта 6 установлены радиальные перегородки 7, ограничивающие слой жидкости или твердой дисперсной фазы, то движение сплошной фазы по винтовому каналу в корпусе в зазоре между подаваемой фазой и нижней поверхностью витков перфорированного шнекового винта 6 затруднено, что заставляет ее двигаться вертикально через отверстия (перфорации) шнекового винта. Выполнение поверхности перфорированного шнекового винта 6 ступенчатой в радиальном направлении позволяет исключить застойные зоны и предотвратить проскок сплошной газовой (паровой, жидкой) фазы над поверхностью дисперсной фазы в зазоре между верхней поверхностью шнекового винта 6 и радиальными перегородками 7, обеспечивает наивысшую интенсивность протекающих массообменных процессов и равномерность пребывания продуктов массообмена в аппарате.
Таким образом, при использовании массообменного аппарата непрерывного действия, полый вал которого снабжен патрубками для подвода и отвода продуктов массообмена и последовательно установленными собирающими и рассеивающими перфорированными воронками, а поверхность перфорированного шнекового винта выполнена ступенчатой, позволяет максимально эффективно использовать рабочий объем аппарата и позволяет повысить производительность массообменного аппарата непрерывного действия.