ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ НАСАДОЧНЫЙ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ
HORIZONTAL NOZZLE HEAT AND MASS EXCHANGER

Уровень техники
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 насадочных пленочных колоннах. Насадочные массообменные аппараты представляют собой колонны, заполненные насадкой - геометрическими телами с возможно более развитой поверхностью (кольца, седла, кусковой материал и т. д.). Соприкосновение газа (пара) с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки, по которой стекает жидкость-поглотитель. Течение жидкости по насадке носит в основном пленочный характер, и поэтому насадочные аппараты относятся к пленочным (см. Балыбердина И. Т., Физические методы переработки и использования газа: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1988., с.56.)
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 увеличению газодинамического сопротивления (иногда локального), уносу капель жидкости, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритов тепло- и массообменных аппаратов. Кроме того, неоднородность протекания процессов по объему насадок (байпас эффекты и т.п.) потребовало введения конструктивных решений по выравниванию распределения и взаимодействия потоков в системе газ-жидкость (переход к регулярным насадкам и др.). Это привело 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. патент RU 2321444 C2). Тепло- и массообменный аппарат выполнен в виде цилиндрического (горизонтального) корпуса с фланцами, в которых установлены патрубки для подвода и отвода газа и патрубки для подвода и отвода жидкости в режиме противотока. Аппарат снабжен вращающимся валом с установленными на нем последовательно чередующимися разделительными кольцевыми перегородками, вокруг которых установлена с зазором относительно цилиндрического корпуса обечайка, жестко соединенная с разделительными кольцевыми перегородками, совместно образующими секции. В секциях на валу размещены поперечные сплошные диски, между которыми установлены кольцевые контактные диски с зазором относительно корпуса, вала и друг друга. Все диски жестко скреплены между собой продольными шпильками, закрепленными в крайних разделительных кольцевых перегородках. Вал выполнен из двух полуосей. В полуоси со стороны выхода газа выполнено отверстие, соединяющее первую секцию со стороны этой полуоси с патрубком отвода газа, установленным на фланце аппарата. Внутри полого вала и коаксиально ему установлен патрубок подвода жидкости. В крайней разделительной кольцевой перегородке со стороны отвода жидкости выполнены отверстия, при этом тепло- и массообменный аппарат установлен с наклоном от 2 до 10 градусов в сторону патрубка отвода жидкости. Все диски и обечайка частично погружены в жидкость и при вращении совместно формируют зигзагообразное, вращательное, радиально-осевое, последовательно-параллельно противоточное течение потоков газа и жидкости. Достоинством этого аппарата является низкое гидравлическое сопротивление по рабочему тракту, равномерность и стабильность процессов тепло- и массобмена, высокая производительность и небольшие габариты. Основной проблемой данного устройства является сложность дисковой конструкции, а также подвода жидкости и отвода газа в ней.
Известен тепло- и массообменный аппарат (см. патент RU 2200054 C1) содержащий вращающийся вал и цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный набором разделительных кольцевых перегородок, между крайними перегородками набора установлены цилиндрические вставки, между которыми размещены остальные перегородки набора, причем вставки и перегородки скреплены между собой, а одна из крайних перегородок скреплена с корпусом. Вставки перегородки образуют секции, в которых на вращающемся валу установлены поперечные сплошные диски, на боках которых закреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленных с зазором относительно вставок, вала, друг друга и разделительных кольцевых перегородок и частично погруженных в жидкость, и которые совместно формируют зигзагообразное, радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа. Основным недостатком данного устройства является сложность обеспечения малых зазоров в пакетах между тонкими кольцевыми дисками большого диаметра, что существенно ограничивает площадь контакта жидкости и газа в единице объема.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению следует отнести аппарат с вращающимся слоем насадки (RU 2548081 C1), в котором достигается существенное увеличение площади контактной поверхности по сравнению с дисковыми тепло-массообменными аппаратами. Расположенные на валу смежно друг с другом вращающиеся слои насадки и разделительные кольцевые перегородки формируют зигзагообразное, радиально-осевое течение потоков газа через смачиваемые слои насадок. Преимуществом этого аппарата является то, что сочетание слоев позволяет применять различные типы насадок, а также различные относительные размеры насадок, включая радиальные, площади поперечного сечения. Кроме того, данное устройство допускает различные массовые соотношения потоков жидкости и газа через два слоя насадки и позволяет использовать одинаковые или различные жидкости для разных слоев.
Однако при радиальном распылении жидкости из отверстий во вращающемся валу на выходе газового потока из аппарата будет наблюдаться повышенный капельно-аэрозольный унос. Кроме того, для обеспечения равномерной плотности орошения и полной смачиваемости поверхности насадок необходимо поддерживать определенное значение расхода жидкости при орошении. Обеспечение герметичности при подводе и отводе жидкости через вращающийся вал также вызывает определенные проблемы.
Все описанные выше аппараты с вращающимися смачиваемыми поверхностями для тепло- и массообмена (кольцевые контактные диски и кольцевые насадки) требуют обязательного наличия внешнего привода вращения вала.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на создание компактных и эффективных горизонтальных тепло- и массообменных аппаратов с вращающейся насадкой, минимальным энергопотреблением, технологичных в изготовлении и эксплуатации, обеспечивающих минимальный капельно-аэрозольный унос и полную смачиваемость поверхности насадок при любом расходе жидкости.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в горизонтальном насадочном тепло- и массообменном аппарате (ГНТМОА), содержащем цилиндрический корпус с днищами, и, как минимум одним разъемным фланцем, патрубки подвода и отвода рабочих сред (жидкость, газ или пар), вал вращения, установленный на подшипниках с уплотнениями в днищах корпуса, набор разделительных кольцевых или дисковых перегородок, образующих секции с кольцевыми насадочными конструкциями, жестко соединенными валом, которые формируют зигзагообразное, радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа, при этом, согласно изобретению, каждая из насадочных конструкций частично погружена в жидкость, соосна валу вращения и выполнена из внешних и внутренних коаксиальных перфорированных обечаек разного диаметра, пространство между которыми заполнено элементами насадок.
Траектория потока между насадочными конструкциями формируется вращающимися внутренними кольцевыми или дисковыми перегородками, а также внешними кольцевыми перегородками. Конструкция узла герметизации кольцевой перегородки должна обеспечивать отсутствие или минимальное байпассирование газом (паром) насадочной конструкции в газовой полости. Это достигается наличием по внешнему диаметру кольцевых перегородок уплотнительных элементов в виде упругих или эластичных колец, перекрывающих свободный проход газа (пара) между вращающейся кольцевой перегородкой и поверхностью уплотнительной конструкции внутри корпуса аппарата.
Эта конструкция может быть выполнена, например, в виде подвижной в осевом направлении, но не вращающейся кольцевой втулки, плотно прилегающей к внутренней поверхности цилиндрического корпуса, внутри втулки выполнена кольцевая канавка, сопряженная с внешней поверхностью кольцевой перегородки через уплотнительный элемент. В нижней части кольцевой втулки выполнены каналы для свободного прохода жидкости из каждой секции в смежную секцию, обеспечивая замену жидкости в секциях. В этом случае для замены жидкости в аппарате достаточно двух патрубков для входа и выхода жидкости.
Другим вариантом замены жидкости в секциях является полное отсутствие каналов в кольцевой втулке для свободного прохода жидкости из каждой секции в смежную секцию, обеспечивая тем самым относительную герметичность по жидкости между секциями, но при этом каждая секция снабжена в нижней части корпуса аппарата патрубками подвода и отвода жидкости. В этом случае обеспечивается возможность использования различных по составу жидкостей в разных секциях, что позволяет существенно расширить возможности проведения тепло- и массообменных процессов в аппарате.
Конструкция ГНТМОА позволяет использовать кинетическую энергию поступающего в аппарат газового потока для привода во вращение вала с насадочными конструкциями. В этом случае привод вращения насадочных конструкций может быть выполнен в виде пневматического двигателя турбинного типа, в котором роль лопастей выполняют радиальные ребра на торцевой поверхности набора секций кольцевых насадочных конструкций, а подвод газовой (паровой) среды в корпус аппарата производится тангенциально образующей траектории вращения ребер. Скорость вращения набора секций кольцевых насадочных конструкций определяется гидравлическим сопротивлением жидкости в нижней части и крутящим моментом на лопастях при воздействии на них поступающего в ГНТМОА газового потока. Для увеличения кинетической энергии газового потока на тангенциальном входном патрубке может быть установлено сужающее устройство, что приведет к увеличению скорости газового потока и повышению крутящего момента на радиальных ребрах. Степень уменьшения проходного сечения в сужающем устройстве может быть регулируемой, что позволит изменять скорость потока газа на входе в ГНТМОА, и, соответственно, крутящий момент на лопастях и частоту вращения набора секций кольцевых насадочных конструкций.
2
Конструкция ГНТМОА позволяет применять его при очистке воды от трития. Возможность применения такого аппарата для изотопного разделения воды по наличию трития в молекуле основано на том, что при глубоком разряжении (600-700 Па) и низкой температуре воды вблизи тройной точки (чуть выше 1°С) молекулы с тритием становятся неактивными и осаждаются на смоченных поверхностях насадок. Это вызвано тем, что температура замерзания тритиевой воды составляет ТO составляет +9,0 °С, а для молекул НТО температура замерзания +4,5 °С. В этом случае аппарат должен быть снабжен нагревателем воды, обеспечивающим парообразование, патрубком отвода пара, при этом патрубок входа пара в ГНТМОА отсутствует.
В случае если взаимодействие потоков газа и жидкой пленки на насадках происходит с выделением тепла (экзотермическая реакция), для обеспечения требуемых температурных режимов секции в нижней части могут быть оборудованы трубчатыми теплообменниками охладителями, отводящими излишнее тепло от жидкости.
Заявленный комплекс конструктивных решений позволяет достигнуть поставленных целей и обеспечивает:
- высокие значения тепло- и массообменной поверхности ГНТМОА при низком гидравлическом сопротивлении;
- высокую производительность по газовой среде;
- компактность, простоту и технологичность конструкции ГНТМОА;
- низкие энергетические затраты при работе аппарата;
- полную смачиваемость всей поверхности насадок, периодически погружаемой в жидкость;
- минимальный капельно-аэрозольный унос;
- возможность использования кинетической энергии поступающего в ГНТМОА газового потока в качестве движущей силы привода вращения турбинного типа;
- возможность обеспечения полной герметичности с окружающей средой подшипниковой опоры вала ГНТМОА со стороны привода вращения при использовании в качестве привода вращения пневматического двигателя турбинного типа.
2
3
Существенное повышение эффективности горизонтальных тепло- и массообменных аппаратов с вращающейся насадкой по сравнению с аналогичными дисковыми аппаратами достигается многократным увеличением удельной поверхности насадок (например, для СПН 4×4×0,2 она составляет 2700 м/м) и её неупорядоченным расположением (в отличии от щелевых каналов с дисковыми насадками), что резко уменьшает высоту теоретической ступени разделения (ВЭТС) до 2..4 см, характеризующую эффективность массообмена. Повышение эффективности тепло- и массообмена по сравнению с аппаратом с вращающимся слоем насадки по патенту RU 2548081 C1 достигается тем, что в предложенной конструкции обеспечивается полная смачиваемость насадок при любом, даже самом минимальном расходе жидкости, в случае если уровень заполнения корпуса жидкостью обеспечивает при вращении насадочных конструкций периодическое погружение в жидкость всех насадок, вплоть до прилегающих к внутренней перфорированной обечайке.
Минимальное энергопотребление достигается в отсутствии необходимости распыления жидкости под давлением со стороны вала, как это делается, например, по патенту RU 2548081 C1. Минимальный капельно-аэрозольный унос достигается возможностью обеспечения низкой скорости газового потока при большом проходном сечении в насадочных конструкциях, а также самой конструкцией насадок, улавливающих мелкие капли и золи на своей смоченной поверхности.
При повышении скорости вращения насадочных конструкций и расхода жидкости, увеличивается интенсивность массообмена между жидкостью и газом, причем из-за низкой пористости насадочных конструкций и быстрого стекания жидкости с насадок после их периодического погружения, обеспечивается отсутствие режима захлебывания при больших расходах газа, как это бывает в насадочных колоннах. Учитывая развитую поверхность контакта, производительность таких аппаратов существенно выше, чем в дисковых насадочных аппаратах при сопоставимых габаритных размерах.
Описание чертежей
Нижеследующее описание относится к сопроводительным чертежам, которые показывают в качестве не ограничивающего примера вариант осуществления изобретения в котором:
Фиг.1 - схема продольного разреза горизонтального насадочного тепло- и массообменного аппарата (ГНТМОА), выполненного в соответствии с изобретением;
Фиг.2 - схема конструкции узла герметизации внешней кольцевой перегородки с протоком жидкости;
Фиг.3 - схема конструкции узла герметизации внешней кольцевой перегородки без протока жидкости;
Фиг.4 - схема продольного разреза ГНТМОА с приводом вращения в виде пневматического двигателя турбинного типа и схема поперечного разреза в сечении подачи газа, выполненные в соответствии с изобретением;
Фиг.5 - схема продольного разреза ГНТМОА, выполненного в соответствии с изобретением, предназначенного для очистки радиоактивной воды от изотопов трития.
На Фиг.1 схематично представлен продольный разрез ГНТМОА, включающий цилиндрический корпус (1) с днищами (16) и (17) частично заполненный жидкостью (2), патрубки подвода и отвода газовой среды (3) и (4), патрубки подвода и отвода жидкости (5) и (6), вал (7) на подшипниковых опорах (8) с приводом вращения (9), набор разделительных кольцевых (11) или дисковых перегородок (11а), образующих секции, жестко соединенные с валом кольцевые насадочные конструкции (10), которые формируют совместно с перегородками (11 и 11а) зигзагообразное, радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа. Кольцевые насадочные конструкции выполнены из внешних (12) и внутренних (13) коаксиальных перфорированных обечаек разного диаметра, пространство между которыми заполнено элементами насадок (14). Конструкция узла герметизации (15) внешней кольцевой перегородки (11) обеспечивает отсутствие или минимальное байпассирование газом насадочных конструкций в газовой полости, и в тоже время, для приведенного варианта, обеспечивает свободный проток жидкости через отверстие (Фиг.2, поз.18) в нижней части узла герметизации (Фиг.2, поз.15) под уровнем воды.
Другим вариантом осуществления изобретения может быть отдельный подвод и отвод жидкостей к различным секторам, причем жидкости могут иметь разный состав для различных секторов. В этом случае узлы герметизации (Фиг.3, поз.15а) внешних кольцевых перегородок (11) обеспечивают отсутствие или минимальные протечки жидкости между затопленными участками секторов, а на самих участках секторов, в нижней части корпуса, выполнены подводящие (Фиг.3, поз.5) и отводящие (Фиг.3, поз.6) патрубки для замены жидкости.
На Фиг.4 схематично приведены продольный и поперечный разрезы ГНТМОА для случая, если привод вращения выполнен в виде пневматического двигателя турбинного типа, в котором роль лопастей выполняют радиальные ребра (19) на торцевой поверхности набора секций кольцевых насадочных конструкций, а подвод газовой (паровой) среды в корпус аппарата производится по патрубку (3), который расположен тангенциально образующей траектории вращения ребер (19). Для увеличения кинетической энергии газового потока на тангенциальном входном патрубке (3) может быть установлено регулируемое сужающее устройство (20), что позволяет изменять величину крутящего момента на радиальных ребрах (19) и, соответственно, частоту вращения.
На Фиг.5 схематично представлен продольный разрез ГНТМОА, включающий цилиндрический корпус (1) частично заполненный жидкостью (2), патрубок отвода пара (4), патрубки подвода очищаемой воды (5) и патрубок отвода воды, обогащенной тритием (6), вал (7) на подшипниковых опорах (8) с приводом вращения (9), набор разделительных кольцевых (11) или дисковых перегородок (11а), образующих секции, жестко соединенные с валом кольцевые насадочные конструкции (10), которые формируют совместно с перегородками (11 и 11а) зигзагообразное, радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков очищаемого пара, а также трубчатый теплообменник-нагреватель (21), компенсирующий унос тепла при испарении.
Система нагрева воды в этом аппарате (1) для компенсации уноса тепла с паром обеспечивается теплообменником-нагревателем (21) с греющими трубками, расположенным в противоположной от выхода пара секции. Загрязненный тритием пар, многократно проходя стадию испарение-конденсация на смоченной поверхности насадок очищается от молекул воды, содержащих тритий. Обогащенный тритием концентрат сливается в емкости хранения через патрубок (6), а очищенный от трития водяной пар отводится через патрубок (4).
Пример конкретного исполнения.
В качестве не ограничивающего примера конкретного исполнения рассмотрен горизонтальный насадочный тепло-массообменный аппарат для очистки пара от аэрозолей при выпаривании жидких радиоактивных отходов.
3
2
Сахаровский Ю.А. Массопередача и гидродинамика в колоннах с высокоэффективной насадкой: Учебное пособие. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2010. 68 с
В качестве примера конкретного исполнения рассматривается 4-х секционный аппарат ГНТМОА с диаметром корпуса 1,2 м, длиной 4,5 м и давлением 1,1 атм, используемый для очистки пара от радиоактивных аэрозолей (Фиг.1). Производительность по пару 3,2 т/ч (4850 м/ч). Нижний предел по расходу флегмы не регламентируется и задается из условия достижения необходимой степени очистки пара от радионуклидов. В качестве насадки используется нерегулярная спирально призматическая насадка Селиваненко (СПН 4×4×0,2). Удельная нагрузка на насадки при прохождении пара составляет ~1200 кг/мч. Длина каждой секции насадок составляет 1 м, диаметр внешней перфорированной обечайки 1,0 м, а диаметр внутренней перфорированной обечайки - 0,7м. Толщина кольцевого слоя засыпки насадок 0,15 м. Потеря напора на обечайках и насадках при заданной производительности по пару составляет 0,22 кПа на каждой секции [.]. При прохождении потоком пара насадочных конструкций в 4-х секциях по зигзагообразному каналу потеря напора пара составит ~ 1,3 кПа.
2
Белкин Д.Ю., Изотопная очистка теплоносителя промышленного тяжеловодного реактора ЛФ-2/ Диссертация, М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2016
Предельная удельная пропускная способность для насадок выбранного типа при давлении 1,1 атм составляет 3600 кг/(мч) [], что в 3 раза больше, чем в рассматриваемом аппарате. Таким образом, аппарат ГНТМОА с заявленными параметрами работает в щадящем режиме, что обеспечивает высокую степень очистки пара.
Кроме того, степень очистки пара от радиоактивных элементов легко регулируется, исходя из показаний дозиметрических приборов, отслеживающих активность конденсата после конденсации пара. Регулирование степени очистки производится изменением расхода флегмы и частоты вращения насадочных конструкций. При их увеличении происходит интенсификация абсорбции радиоактивных аэрозолей на пленках насадок в секторах со стороны входа пара, что позволяет повышать степень очистки пара на выходе из аппарата.
В случае использования привода вращения турбинного типа (Фиг. 4), скорость пара в узком сечении сужающего устройства подводящего патрубка составляет около 80 м/с (при Dy140 мм), поэтому расчеты показали, что кинетической энергии подводимого пара достаточно, чтобы частота вращения насадок, с учетом гидравлического сопротивления воды в нижней затопленной части, составляла около 12 об/мин. В случае, если частота вращения насадок недостаточна для обеспечения требуемой интенсивности массообмена, и соответственно, обеспечения нужных параметров очистки пара от радиоактивных аэрозолей, требуемую частоту вращения вала можно обеспечить, используя электропривод.