УЛОВИТЕЛЬ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
TRAP OF AEROSOL PARTICLES

Изобретение относится к устройствам очистки газа и может быть использовано в химической, фармацевтической, микробиологической и других областях, где требуется тщательная очистка газов от твердых и жидких аэрозольных частиц.
Известен уловитель аэрозольных частиц, содержащий корпус со спиральным каналом, днище, сборник конденсата, охлаждающее устройство, установленное с наружной стороны канала, нагревательное устройство, размещенное на внутренней стороне канала, теплоизоляцию, штуцеры отвода газа, тепло- и хладагентов и штуцер вывода конденсата, коническую обечайку с дополнительным штуцером вывода конденсата, размещенную соосно с корпусом в сборнике конденсата с зазором к последнему витку спирального канала и ловушкам конденсата, при этом спиральный канал имеет последовательно сообщенные, расширяющиеся со стороны охлаждающего устройства по ходу газа участки, ловушки конденсата размещены на охлаждающем устройстве в зоне максимального расширения участков, а в днище под каждой ловушкой выполнены перепускные отверстия, сообщенные с полостью сборника (а.с. СССР №1607899 A1, MПK: B01D 47/05, 45/18 - прототип).
Указанный уловитель аэрозольных частиц работает следующим образом.
Газ с аэрозольными частицами через конфузор подается в камеру, где равномерно по всему объему насыщается парами жидкости, подаваемыми через сопло, и подходит в канал прямоугольного сечения газоподводящего устройства с разнотемпературными стенками, из которых наружная стенка холодная, а внутренняя горячая.
По мере прохождения в канале пересыщенной парогазовой смеси происходит конденсация паров жидкости на аэрозольных частицах, как на ядрах конденсации, и образовавшиеся капли выделяются из парогазовой смеси под действием центробежных, диффузионных и термодиффузионных сил. Пленка жидкости, увлекаемая газовым потоком, движется вдоль по охлаждаемой стенке, попадает в цилиндрические ловушки и выводится через отверстия в днище в сборник конденсата под действием силы тяжести.
Неуспевшие отсепарироваться по длине канала капли улавливаются в центральной сепарационной зоне, выделяясь из потока, закручивающегося вокруг выходного штуцера, стекают через зазор между охлаждаемой стенкой и конусом в сборник конденсата и выводятся через штуцер, а очищенный газовый поток, отражаясь от конуса, где происходит дополнительная сепарация капель, образуя внутренний вихрь, выходит через выходной патрубок. Конус обечайки препятствует вторичному уносу жидкости из приемного сборника, жидкость, попавшая в обечайку, выводится через штуцер.
Основным недостатком данного уловителя является недостаточно полное удаление частиц из очищаемого потока, связанное с неэффективной работой ловушек и с тем, что часть аэрозольных частиц и конденсата оседает на плоском днище между ловушками, недостаточно эффективно удаляется из газового канала и может быть подвергнуто вторичному уносу.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание уловителя аэрозольных частиц, конструкция которого позволит более эффективно очищать газ от посторонних включений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном уловителе аэрозольных частиц, содержащем корпус со спиральным каналом, днище, сборник конденсата, охлаждающее устройство, установленное с наружной стороны канала нагревательное устройство, размещенное на внутренней стороне канала, теплоизоляцию, штуцеры отвода газа, тепло- и хладагентов и штуцер вывода конденсата, коническую обечайку с дополнительным штуцером вывода конденсата, размещенную соосно с корпусом в сборнике конденсата с зазором к последнему витку спирального канала, и ловушкам конденсата, при этом спиральный канал имеет последовательно сообщенные, расширяющиеся со стороны охлаждающего устройства по ходу газа участки, ловушки конденсата размещены на охлаждающем устройстве в зоне максимального расширения участков, а в днище под каждой ловушкой выполнены перепускные отверстия, сообщенные с полостью сборника, согласно изобретению ловушки выполнены в виде части спирального канала переменного сечения типа «диффузор-конфузор», а днище выполнено профилированным в виде чередующихся выступов и выемок, в которых выполнены перепускные отверстия.
Для улучшения удаления частиц конденсата, выпавших на участке днища между ловушками, днище выполнено профилированным в виде чередующихся выступов и впадин, причем во впадинах выполнены перепускные отверстия. В этом случае капли конденсата будут скатываться по наклонной поверхности к перепускным отверстиям и удаляться из газового тракта для исключения возможности их вторичного уноса очищаемым газом.
Для улучшения удаления частиц конденсата, выпавших на стенки газового тракта, газовый канал имеет поперечное сечение трапецеидальной формы. В этом случае капли конденсата с частицами быстрее будут скатываться вниз под действием силы тяжести, попадать на перфорированное днище и удаляться из газового тракта для исключения возможности их вторичного уноса очищаемым газом.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявляемом устройстве, в отличие от конструктивного выполнения прототипа, ловушки выполнены в виде части спирального канала переменного сечения по типу «диффузор-конфузор», а днище выполнено профилированным и перфорированным.
Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, благодаря наличию новых признаков, обеспечивает получение технического результата, выражающегося в улучшении условий конденсата из газового тракта, значительном снижении вторичного уноса конденсата и получении повышенной степени очистки потока газа от аэрозольных включений.
Указанные существенные признаки в совокупности, характеризующей сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для уловителей и устройств для очистки газов. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «Новизна».
Существенные признаки заявляемого изобретения не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений с реализацией в виде отличительных признаков для достижения технического результата, из чего следует вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
В связи с тем, что представленное техническое решение предназначено для использования в рамках реальной системы очистки воздуха, испытано заявителем в составе модельной установки и готовится к внедрению в производство, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан поперечный разрез уловителя, на фиг.2 - продольный разрез уловителя, на фиг.3 - элемент профилированного днища, на фиг.4 - поперечный разрез участка профилированного днища.
Основными элементами предложенного уловителя являются:
1 - крышка;
2 - днище;
3 - отверстия;
4 - корпус;
5 - сборник конденсата;
6 - прокладка;
7 - прокладка;
8 - устройство охлаждающее;
9 - устройство нагревательное;
10 - штуцер;
11 - штуцер;
12 - штуцер;
13 - штуцер;
14 - штуцер отвода очищенного газа;
15 - ловушка;
16 - входной участок спирального канала;
17 - камера смешения;
18 - конфузор;
19 - диффузор;
20 - сопло;
21 - участок тракта;
22 - теплоизоляция;
23 - штуцер выхода конденсата;
24 - обечайка;
25 - штуцер выхода конденсата;
26 - диффузор;
27 - конфузор;
28 - отверстие в днище;
29 - выемка.
Уловитель содержит крышку 1, днище 2 с отверстиями 3, корпус 4 и сборник 5 конденсата, соединенные между собой через эластичные прокладки 6 и 7. Корпус 4 включает охлаждающее 8 и нагревательное 9 устройства соответственно, штуцера 10-13 для подачи тепло- и хладагентов, штуцер 14 отвода очищенного газа, ловушки 15, установленные на охлаждающем устройстве 8 и сообщающиеся через отверстия 3 в днище 2 со сборником 5 конденсата. Входной участок спирального канала 16 выполнен в виде трубы Вентури, содержащей камеру 17 смешения, конфузор 18, диффузор 19 и сопла 20 подачи пара.
Внутренняя поверхность спирального канала 16 образована нагревательным устройством 9, которое выполнено в виде спирали, образованной полуокружностями различного радиуса и с различными центрами. Наружная поверхность спирального канала 16 образована охлаждающим устройством 8, которое выполнено в виде секций с образованием спирального канала в виде отдельных последовательно соединенных и расширяющихся по ходу газа участков 21. В зонах максимального напряжения этих участков установлены ловушки 15. В пространстве между охлаждающим и нагревательным устройствами вне канала помещена теплоизоляция 22. Сборник 5 конденсата со штуцером 23 выхода конденсата через эластичную прокладку 7 присоединен к днищу 2. Внутри сборника 5 конденсата размещена коническая обечайка 24 со штуцером 25 для выхода конденсата. Ловушки 15 выполнены в виде чередующихся диффузора 26 и конфузора 27, соединенных между собой. В днище 2 выполнены отверстия 28 и выемка 29.
Предложенный уловитель работает следующим образом. Газ с аэрозольными частицами через конфузор 18 подается в камеру 17, где равномерно по всему объему насыщается парами жидкости, подаваемыми через сопло 20, и подходит в канал трапецеидального сечения газоподводящего устройства с разнотемпературными стенками, из которых наружная стенка холодная, а внутренняя - горячая. Выполнение газового канала с поперечным сечением трапецеидальной формы, с наклонными стенками и с сужением канала в верхней его части обеспечит более эффективное удаление образовавшихся капель конденсата со стенок газового тракта за счет обеспечения возможности их срыва со стенок и попадания на днище 2 для последующего удаления через отверстия 28.
По мере прохождения в канале пересыщенной парогазовой смеси происходит конденсация паров жидкости на аэрозольных частицах, как на ядрах конденсации, и образовавшиеся капли выделяются из парогазовой смеси под действием центробежных, диффузионных и термодиффузионных сил. При движении парогазовой смеси вдоль холодной поверхности давление паров жидкости над ней значительно меньше, чем в центральной части потока. Вследствие этого в смеси возникает диффузионный поток пара, который воздействует на находящиеся в смеси аэрозольные частицы и капли. В результате этого воздействия частицы и капли движутся в сторону охлаждаемой поверхности. Конденсация пара на холодной поверхности сопровождается уменьшением объема, что приводит к общему течению парогазовой смеси к этой поверхности. Возникающий при этом конвективный поток, называемый стефановским течением, усиливает диффузионный поток и всегда направлен в сторону уменьшения объема, т.е. к холодной поверхности. С другой стороны, при движении потока между разнотемпературными поверхностями в парогазовой смеси возникает температурный градиент, обуславливающий появление термодиффузионных сил, под действием которых частицы и капли тоже движутся к холодной поверхности и осаждаются на ней. Непрерывность конденсации и укрупнения частиц при движении вдоль канала поддерживается вследствие высокой степени пересыщения, которая возникает в результате увеличения парциального давления у обогреваемой поверхности и снижения его у охлаждаемой, причем величина пересыщения растет от обогреваемой поверхности к охлаждаемой. В канале, постепенно расширяющемся со стороны охлаждающего устройства по ходу газа, процесс конденсации на частицах идет более интенсивно за счет снижения скорости парогазового потока, которое приводит к увеличению парциального статического давления паров жидкости, т.е. к увеличению степени пересыщения и более высокому выходу конденсата, осаждающемуся в виде капель на холодной стенке и образующему на ней пленку жидкости.
Образовавшаяся пленка жидкости увлекается далее газовым потоком к ловушкам 15 и одновременно стекает по холодной стенке вниз на днище 2, в промежутке между ловушками 15, где через отверстия 28 попадает в сборник 5 конденсата.
Кроме перечисленных сил, на частицы действует еще и центробежная сила. При этом за счет уменьшения радиуса кривизны канала от периферии к центру, т.е. от входа к выходу парогазового потока, центробежная сила возрастает. Газовый поток с конденсатом и пленкой жидкости на стенке, не попавшей на днище 2, увлекаемой газовым потоком, движется вдоль по холодной охлаждаемой стенке и попадает в диффузор 26 ловушки 15. В диффузоре скорость потока падает, конденсат, находящийся в потоке газа, теряет скорость и под действием силы тяжести выпадает на днище 2. Далее конденсат, под действием силы тяжести, через отверстия 28 перфорированного днища 2 и отверстия 3 ловушек 15 выводится в сборник 5 конденсата. Для улучшения условий удаления конденсата, попадающего на днище 2, из газового тракта, в днище 2 выполнена профилированная выемка 29 с наклонными стенками. Конденсат стекает по наклонным стенкам к центру выемки 29 и через отверстия 28 удаляется из газового канала.
Не успевшие отсепарироваться по длине канала капли улавливаются в центральной сепарационной зоне 26, выделяясь из потока, закручивающегося вокруг выходного штуцера 14, стекают через зазор между охлаждаемой стенкой и конусом 24 в сборник 5 и выводятся через штуцер 23, а очищенный газовый поток, отражаясь от конуса 24, где происходит дополнительная сепарация капель, образуя внутренний вихрь, выходит через выходной патрубок 14. Конус обечайки 24 препятствует вторичному уносу жидкости из приемного сборника 5, жидкость, попавшая в обечайку 24, выводится через штуцер 25.
Повышение эффективности улавливания и удаления аэрозольных частиц в предлагаемой конструкции достигается созданием более высокой степени пересыщения в постепенно расширяющемся канале при суммарном однонаправленном действии на них сил термо- и диффузиофореза, стефановского течения и центробежной силы, возрастающей от периферии к центру, которые воздействуют на частицы по всей длине канала, а также исключения возможности вторичного уноса выделившегося кондесата.
Кроме того, в предлагаемой конструкции образующаяся при конденсации на холодной поверхности пленка жидкости по ходу газа более эффективно, за счет торможения потока, выводится ловушками из парогазового потока непосредственно в сборник конденсата, что снижает вторичный унос капель. Не успевшие отсепарироваться и вновь образующиеся по длине канала капли улавливаются в центральной сепарационной зоне, выделяясь из потока, закручивающегося вокруг выходного патрубка, и стекают через зазор между охлаждаемой стенкой и конусом в приемный сборник. Конус препятствует вторичному уносу уже собранной в сборник жидкости. Жидкость из сборника конденсата и конуса выводится по разным штуцерам.
Уловитель требует для нормального прохождения процесса меньшее количество пара за счет поддержания более высокой степени пересыщения парогазового потока расширяющимся каналом.
Ловушки для конденсата, выполненные в виде чередующихся диффузора и конфузора, установленные со стороны охлаждающего устройства по ходу газа, позволяют постепенно отводить уловленные частицы вместе с конденсатом из канала аппарата непосредственно в приемный сборник, что исключает возможность их вторичного уноса и повышает эффективность очистки газа.
Усеченный конус, разделяющий приемный сборник на два объема, способствует дополнительной сепарации аэрозольных частиц из отходящего закрученного потока и препятствует вторичному уносу уже уловленного конденсата цилиндрическими ловушками, что повышает эффективность очистки газа.
Использование предложенного технического решения позволит повысить степень очистки газа от аэрозольных включений за счет более эффективного удаления выпавшего конденсата из газового тракта и исключения, тем самым, его вторичного уноса и повторного попадания в поток очищаемого газа.