Для тепло-массообменных процессов в химической технологии широкое применение находят многоступенчатые колонные аппараты.

Одним из способов ускорения массообмена является увеличение скорости взаимодействия фаз, за счёт чего увеличивается турбулизация двухфазного потока, однако с увеличением скорости резко возрастает унос жидкой фазы, устранить который трудно.

В расчётах обычных массообменных аппаратов считают, что допустимый унос жидкости составляет 10% от количества подаваемого газа по массе. Однако расчёт показывает, что такой унос для аппаратов очистки отходящих газов от легкорастворимых веществ (пары кислот, газообразный аммиак) не только недопустим, но даже выходит за рамки здравого смысла. В работах /1,2/ дана оценка влияния уноса жидкой фазы на эффективность массообменных аппаратов.

Очевидно, что подход к аппаратам газоочистки мерками обычных массообменных аппаратов недопустим. Аппараты газоочистки, должны существенно отличатся от массообменных аппаратов. Специфичной особенностью процесса очистки отходящих газов от паров азотной кислоты является малое количество воды, подаваемой по материальному балансу для получения продукционной кислоты. По сравнению с массой обрабатываемого газа, жидкости в аппарат поступает примерно в сто раз меньше. Поэтому для получения необходимой площади поверхности контакта фаз обычно применяют многократную циркуляцию жидкости. Кратность циркуляции обычно находится в пределах 100ч200. Однако при циркуляции жидкости увеличивается брызгоунос.

Требования по брызгоуносу, предъявляемые к многоступенчатым аппаратам очистки отходящих газов от легкорастворимых веществ, являются крайне жесткими. Допустимый брызгоунос в абсорберах очистки отходящих газов в сотни раз меньше допустимого брызгоуноса жидкости в обычном массообменном аппарате. Поэтому известные массообменные аппараты не удовлетворяют требованиям газоочистки.

тепломассообменный аппарат экологический газ

Рис.1. Зависимость брызгоуноса тарелок различной конструкций от массовой скорости газа в сечении колонны: 1 - струйная тарелка; 2 - колпачковая; 3 - состоящая из S - образных элементов; 4 - желобчатая; 5 - перфорированная волнистая; 6 - со спиральным потоком жидкости; 7 - ситчатая с отбойным элементом; 8 - тарелка вихревой распылительной колонны.

На рис.1. показан унос жидкой фазы для различных массообменных тарелок /3/.

Для аппаратов газоочистки унос жидкой фазы не допустим даже в виде тумана. Известно, что процесс абсорбции паров азотной кислоты сопровождается образованием в газовой фазе тумана азотной кислоты. В этой связи необходимо включать в стадию абсорбции газов, улов тумана волокнистыми фильтрами. При этом волокнистый фильтр не только улавливает туман кислоты, но и представляет собой дополнительную орошаемую насадку с высокоразвитой площадью поверхности контакта фаз.

Для решения проблемы очистки отходящих газов от легкорастворимых токсичных веществ необходимы новые подходы. Известно, что вихревые контактные устройства (ВКУ) используемые для колонных аппаратов, обладают минимальным уносом жидкой фазы. Для аппаратов газоочистки необходимы такие ступени контакта фаз, которые обеспечивали бы высокую пропускную способность по газу и минимальный унос жидкой фазы со ступени на ступень. Такая ступень должна состоять из двух тарелок: рабочей тарелки и сепарационной, расположенной над рабочей.

Применение сепарационных тарелок в традиционных массообменных колонных аппаратах позволит повысить эффективность их работы, а для аппаратов газоочистки значительно сократить предельно-допустимый газовый выброс.

Рис. 2. Схема рабочей ступени абсорбера: 1-тарелка, 2-завихритель, 3-сферический патрубок, 4-отбойник, 5-цилиндри-ческий патрубок.

На ФГУП "Котовский завод пластмасс" внедрен и испытан многоступенчатый вихревой абсорбер для очистки отходящих газов содержащих пары и туман азотной кислоты. Рабочая ступень абсорбера (рис.2.) состоит из двух тарелок: рабочая из ВКУ со сферическим патрубком, сепарационная из ВКУ с цилиндрическим патрубком. Абсорбер в верхней части имеет туманоловушку выполненную в виде рукавных фильтров, изготовленных из полипропиленового волокна.

Рис.3. Сравнение степени газоочистки различных промышленных аппаратов при ,

1 - --вихревой многоступенчатый аппарат г. Котовск

2-- - одноступенчатые вихревые аппараты г. Шостка

3 - насадочные башни г. Алексин

4 - безнасадочный абсорбер ОТБ - 40 г. Котовск

Результаты промышленного внедрения показали, что предлагаемый многоступенчатый вихревой аппарат является перспективным не только для процессов газоочистки, но и для широкого круга физико-химических процессов.

Глава 3. Аппаратурное оформление

Основные характеристики

Адрес и телефон · www.atconsult.ru

Суть изобретения: Использование: в теплотехнике для сушки и очистки зернистого материала. Сущность изобретения: вихревой тепломассообменный аппарат содержит корпус 1 с боковым входным патрубком 4 для теплоносителя и торцевыми верхней 2 и нижней 3 стенками, загрузочный 9 и разгрузочный 10 бункеры, основной конический завихритель 6, имеющий щели и обращенный расширенной частью вверх, дополнительный завихритель 5, а также имеющий щели и соосно расположенный над основным, причем в зоне сопряжения завихрителей 5, 6 диаметр дополнительного больше диаметра основного. Для сокращения энергозатрат на обработку зернистого материала в центробежном слое путем уменьшения затрат несущего газового потока на формирование и удержание центробежного слоя обрабатываемого материала, дополнительный завихритель 5 выполнен в виде усеченного конуса, обращенного расширенной частью вверх, причем угол наклона его образующей и относительная площадь его щели соответственно меньше, чем у основного завихрителя 6, при этом высота дополнительного завихрителя составляет 0,15-0,35 высоты основного, а в зоне сопряжения завихрителей 5,6 диаметр дополнительного равен 1,05-1,2 диаметра основного.1 ил.

Известна вихревая камера для проведения процессов тепломассообмена, содержащая корпус с тангенциальным входным патрубком и профилированными торцевыми стенками, в которых выполнены осевые выходные отверстия, кольцевой закручивающий аппарат, который выполнен в форме усеченного конуса и установлен между торцевыми стенками корпуса расширенной частью усеченного конуса вверх (1).

Вихревая камера работает следующим образом. Газ, пройдя через закручивающий аппарат, образует в рабочем объеме камеры закрученный газовый поток, который вовлекает во вращательное движение частицы дисперсного материала. Центробежный силой частицы отбрасываются к закручивающему аппарату и образуют центробежный слой, в котором ведется обработка зернистого материала.

Наличие в аппарате конусного завихрителя, обращенного расширенной частью вверх, способствует уменьшению энергозатрат на удержание слоя в вихревой камере.

Однако, производительность аппарата мала. Это объясняется тем, что при увеличении расхода обрабатываемого материала (повышении производительности) в верхней зоне конусного завихрителя происходит вытеснение поступающего материала на внутреннюю поверхность центробежного слоя, он не успевает раскрутиться до нужных скоростей и уносится газом из рабочего объема камеры.

Известен также вихревой тепломассообменный аппарат, в котором решена проблема устойчивости центробежного слоя в верхней зоне конусного завихрителя при повышении производительности (2) за счет того, что над основным конусным завихрителем выполнен дополнительный цилиндрический завихритель с диаметром, превышающим диаметр верхней части конусного завихрителя.

Вихревой тепломассообменный аппарат содержит корпус с боковым входным патрубком для теплоносителя и торцевыми верхней и нижней стенками, загрузочный и разгрузочный бункеры, основной конический завихритель обработки материала, имеющий щели и обращенный расширенной частью вверх, над основным соосно расположен дополнительный цилиндрический завихритель завихритель формирования слоя, также имеющий щели, причем в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного больше диаметра основного, и, по меньшей мере, один эжектор, подключенный приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смешения к дополнительному завихрителю при помощи кольцевого канала со щелью в его нижней части, к которому камера смешения направлена по касательной.

Вихревой тепломассообменный аппарат работает следующим образом.

Зерно из загрузочного бункера эжектором подается в кольцевой канал, где обрабатываемый материал получает окружную скорость и через кольцевую щель верхней стенки поступает в дополнительный цилиндрический завихритель, где формируется центробежный слой, а затем в основной конический завихритель. Теплоноситель, пройдя через тангенциальные щели завихрителей, воздействует на обрабатываемый материал в центробежном слое.

По мере движения дисперсного материала в слое вниз происходит его сепарация, нагрев, подсушка. Примеси вместе с отработанным теплоносителем выводятся из рабочего объема через центральный патрубок. Обработанный дисперсный материал из нижней части основного конического завихрителя выводятся через кольцевую щель в разгрузочный бункер.

Однако, на формирование центробежного слоя материала в дополнительном цилиндрическом завихрителе требуются большие затраты энергии газового потока. Это можно объяснить тем, что при цилиндрическом завихрителе нет осевой составляющей от аэродинамической силы (угол наклона образующей к оси равен нулю), которая частично уравновешивает силу тяжести, поэтому для удержания в слое частицы необходимо "раскручивать" до больших тангенциальных скоростей и, следовательно, затрачивать больше энергии.

В основу изобретения положена задача создания вихревого тепломассообменного аппарата с таким завихрителем, конструкция которого позволила бы уменьшить энергозатраты на обработку зернистого материала в центробежном слое путем уменьшения затрат несущего газового потока на формирование и удержание центробежного слоя обрабатываемого материала.

Поставленная задача решается тем, что в вихревом тепломассообменном аппарате, содержащем корпус с боковым входным патрубком для теплоносителя и торцевыми верхней и нижней стенками, загрузочный и разгрузочный бункеры, основной конический завихритель, имеющий щели и обращенный расширенной частью вверх, дополнительный завихритель, также имеющий щели и соосно расположенный над основным, причем в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного больше диаметра основного, и, по меньшей мере, один эжектор, подключенный приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смешения к дополнительному завихрителю при помощи кольцевого канала со щелью в его нижней части, к которому камера смешения направлена по касательной, согласно изобретению, дополнительный завихритель выполнен в виде усеченного конуса, обращенного расширенной частью вверх, причем угол наклона его образующей и относительная площадь его щелей соответственно меньше, чем у основного завихрителя, при этом высота дополнительного завихрителя составляет 0,15-0,35 высоты основного, а в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного равен 1,05-1,2 диаметра основного.

На фигуре схематически изображен вертикальный разрез предлагаемого вихревого тепломассообменного аппарата.

Вихревой тепломассообменный аппарат содержит корпус 1 с верхней 2 и нижней 3 торцевыми стенками, входной патрубок 4, дополнительный конический завихритель 5, основной конический завихритель 6, кольцевой канал 7, эжектор 8, загрузочный 9 и разгрузочный 10 бункеры, центральный патрубок 11, кольцевая щель 12, выполненная в верхней торцевой стенке 2, кольцевая щель 13, выполненная в нижней стенке 3.

Вихревой тепломассообменный аппарат работает следующим образом. Зернистый материал из загрузочного бункера 9 через эжектор 8, кольцевой канал 7 и кольцевую щель 12, получив под действием газа начальную окружную скорость, поступает в дополнительный завихритель 5, газ, пройдя через щели завихрителя 5 образует вращающийся газовый поток, который сообщает частицам материала окружную скорость, необходимую для формирования и удержания концентрированного центробежного слоя. Сформированный центробежный слой зернистого материала под действием силы тяжести поступающего материала опускается вниз по основному коническому завихрителю 6, в котором под действием газа, поступающего через щели, происходит удержание центробежного слоя материала и его обработка (сушка, охлаждение, очистка, химические реакции и т.д.). Обработанный материал под действием веса вновь поступающих порций обрабатываемого материала вытесняется из нижней части основного конического завихрителя 6 и через кольцевую щель 13 опускается в разгрузочный бункер 10. Отработанный газ вместе с легкими примесями выводится из объема аппарата через центральный патрубок 11.

Формирование центробежного слоя происходит в дополнительном завихрителе, выполненном в виде усеченного конуса и обращенном расширенной частью вверх, поэтому требуется меньший момент количества движения газа, следовательно газа можно подать меньше, т.е. уменьшить площадь щелей завихрителя (уменьшить относительную площадь щелей).

В зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного завихрителя выполняется большим диаметра основного, поэтому при поступлении потока обрабатываемого материала в основной завихритель скорость его вращения нарастает (уменьшение радиуса приводит к увеличению скорости вращения при сохранении момента количества движения) и для его удержания в слое необходимо затратить меньше энергии от потока газа. Диаметр дополнительного завихрителя должен составлять не меньше 1,05 диаметра основного завихрителя в месте их сопряжения. Уменьшение его приводит к увеличению энергозатрат. При увеличении диаметра дополнительного завихрителя больше 1,2 диаметра основного в месте их сопряжения ухудшается проточность слоя, появляются застойные зоны обрабатываемого материала.

Высота дополнительного завихрителя влияет на энергозатраты, так при высоте большей 0,35 высоты основного завихрителя энергозатраты на формирование и удержание центробежного слоя увеличиваются, т.к. необходимо удерживать большую массу материала на большем радиусе, а при высоте меньше 0,15 высот основного завихрителя слой не успевает сформироваться.

Дополнительный завихритель при высоте меньшей высоте основного завихрителя должен иметь меньший угол наклона образующей, т.к. необходимо уравновесить меньшую высоту слоя. Увеличение угла наклона образующей приводит к увеличению осевой составляющей аэродинамической силы, уравновешивающей частично силу тяжести, но одновременно затрудняет проток через слой обрабатываемого материала.

Проведены испытания предлагаемого аппарата производительностью 1,5 т/ч на зерне пшеницы. Результаты, полученные при скорости газа на входе в центробежный слой 41 м/с, приведены в таблице.

Из таблицы видно, что использование предлагаемого тепломассообменного аппарата позволяет путем изменения формы дополнительного завихрителя и соотношения размеров снизить энергозатраты на формирование и удержание центробежного слоя на 24,6% и, как следствие этого, снизить энергозатраты на обработку материала. Так, при очистке зерна от легких примесей энергозатраты снижаются примерно на 18% при нагреве на 2.5% Конкретные значения угла конусности и площади щелей завихрителей подбираются в зависимости от свойств обрабатываемого материала и цели обработки. В рассматриваемом примере для зерна пшеницы угол наклона образующей конуса основного завихрителя 10^o, относительная площадь щелей 12% а у дополнительного завихрителя соответственно 3^o и 9% Из приведенных результатов испытания видно, что в предлагаемом вихревом тепломассообменном аппарате повышается и производительность. Действительно, у предлагаемого аппарата примерно на 30% повышается масса удерживаемого слоя. Следовательно, при одном и том же времени обработки через камеру можно пропустить больше обрабатываемого материала, т.к. производительность П=M_o/ф, М_c масса слоя, ф время обработки материала (время пребывания частиц в слое). Формула изобретения: Вихревой тепломассообменный аппарат, содержащий корпус с боковым входным патрубком для теплоносителя и торцевыми верхней и нижней стенками, загрузочный и разгрузочный бункеры, основной конический завихритель, имеющий щели и обращенный расширенной частью вверх, дополнительный завихритель, также имеющий щели и соосно расположенный над основным, причем в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного больше диаметра основного, и по меньшей мере один эжектор, подключенный приемной камерой к загрузочному бункеру, а камерой смешения к дополнительному завихрителю при помощи кольцевого канала со щелью в его нижней части, к которому камера смешения направлена по касательной, отличающийся тем, что дополнительный завихритель выполнен в виде усеченного конуса, обращенного расширенной частью вверх, причем угол наклона его образующей и относительная площадь его щелей соответственно меньше, чем у основного завихрителя, при этом высота дополнительного завихрителя составляет 0,15 0,35 высоты основного, а в зоне сопряжения завихрителей диаметр дополнительного равен 1,05 1,2 диаметра основного.

Глава 5. Центробежно-барботажный аппарат