Тепломассообменный аппарат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s В 01 D 47/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ СО 4

О О ! ! ! а

+pdwucm

М Яi9/ЮС/ 76

Pre / (21) 4940750/26 (22) 24.04.91 (46) 15,01,93. Бюл, № 2 (71) Всесоюзн ы и научно-исследо вател ьский и проектно-конструкторский институт металлургической теплотехники цветной металлургии и огнеупоров и Свердловский архитектурный институт (72) И.О.Гришков, B,È.Øàïîòàéëo, Г,Н.Горнова, Г.Д.Бурлакова, Л.А.Сазонова и

Л.И,Полоцкий (56) Патент США N 3321191, 261-29, 1967.

Авторское свидетельство СССР ¹

1433481, кл, В 01 D 47/02, 1987. (54) ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ (57) Использование: химическая очистка дыма и отделение взвешенных частиц от газов с использованием аппаратов для проведения процессов тепло-и массообмена в металлургической, энергетической, химической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: в тепломассообменном аппарате, включающем корпус (1) со штуцерами для

„„ А2„„1787500 А1 ввода и вь вода жидкости, верхние (5) и нижние (7) вертикальные перегородки, соединенные с ними наклонные перегородки (3) и (4) с бортовинами, образующие размещенные на повышающихся по ходу газа уровнях прямоугольные контактные каналы (6) для прохода взаимодействующих фаз, отношение длины канала (6) для прохода взаимодействующих фаз к его высоте составляет

2,3 — 2,5, а отношение его ширины к высоте — 3,3 — 3,7. Нижняя вертикальная перегородка (7) смещена относительно верхней вертикальной перегородки в сторону предыдущей камеры по ходу движения газа на величину 0,3 — 0,5 высоты канала для прохода взаимодействующих фвз. Верхняя кромка нижней образующей канала для прохода взаимодействующих фаз выполнена на уровне верхней кромки верхней образующей этого канала, а днище аппарата выполнено наклонным под углом, равным углу превышения каналов для прохода взаимодействующих фаз. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил.

1787500

Изобретение относится к области химической очистки дыма и отделения взвешенных частиц от газов с использованием аппаратов для проведения процессов тепло- и массообмена, в частности, для процессов абсорбции газов, а также пылеулавливания в металлургической, энергетической, химической и других отраслях промышленности. . Известно устройство для организации маГсообменного процесса при обработке

4 р газов мокрым способом, которое содержит цилиндрический бак, имеющий отстойник с днищем конической формы, над которым внутри бака концентрически расположен усеченный конус, в днище которого выполнено отверстие и на боковых сторонах которого установлена цилиндрическая стенка, разделяющая пространство внутри основного бака на внутреннюю камеру всасывания газа и кольцеообразную камеру выхлопных газов. С наружной стороны цилиндрической стенки в радиальном направлении под углом 20 — 30 выполнены снабженные отражателями трубчатые каналы, установленные с возможностью изменения их длины в зависимости от вида примесей, содержащихся в обрабатываемом газе, Недостатком данной конструкции является то, что она не обеспечивает оптимальных аэродинамических параметров и не позволяет осуществить многократного (последовательного) кочтактирования взаимодействующих фаз, что приводит к недостаточной полноте массообменного процесса и повышенному сопротивлению аппарата, а также то, что аппарат не обладает стабильностью режима работы при колебаниях верхнего и нижнего уровней жидкости.

Наиболее близким к устройству является тепломассообменный аппарат, включающий корпус со штуцерами ввода и вывода жидкости и газа, установленные попарно водной плоскости и делящие аппарат на камеры верхние и нижние, вертикальные перегородки с бортовинами, образующие размещенные на повышающихся по ходу газа уровнях каналы для прохода взаимодействующих фаз, причем верхние вертикальные перегородки выполнены с горизонтальной щелью, расположенной над основанием канала ниже уровня верхнего торца последующей по ходу газа нижней вертикальной перегородки, с отверстием, размещенным на уровне щели между стенкой корпуса и бортовиной канала, причем нижние вертикальные перегородки соединены с днищем корпуса, а щели

10

35 и отверстия верхних перегородок установлены с возможностью регулирования поперечного сечения.

Недостатками этого устройства являются недостаточная эффективность и высокие затраты энергии для организации высокоэффективного тепломассообмена, ввиду нерациональной аэродинамики потока в контактном канале, а также сложность в эксплуатации ввиду зарастания днища шламом

- и нарушения режима работы при незначительных колебаниях уровня жидкости, Между тем, именно в повышении массообменного процесса при сниженных энергозатратах и его стабилизации заключается основное направление при создании новых аппаратов или усовершенствовании существовании существующих конструкций.

В данном устройстве интенсификация массообменного процесса достигается за счет значительного увеличения энергозатрат. Это обуславливается тем, что в конструкции не учтены некоторые важные закономерности аэродинамики движения потока в прямоугольных каналах, которые влияют на величину коэффициента местного сопротивления узла, Стабильность режима работы аппарата в большей степени определяется диапазоном возможных колебаний верхнего и нижнего уровней жидкости во входном и выходном каналах по ходу газа. Расположение верхних и нижних перегородок в одной плоскости приводит в малому диапазону возможно-допустимого снижения нижнего уровня жидкости во входной камере, ограниченного отметкой нижней кромки входа в канал для прохода взаимодействующих фаз.

Допустимое поднятие верхнего уровня жидкости ограничивается отметкой верхней кромки нижней наклонной перегородки.

Превышение этого уровня приводит к перетоку жидкости в канал и в конечном счете к его "захлебыванию", в результате. чего резко возрастают энергозатраты, ухудшаются условия масообменного процесса и нарушается стабильность режима, Кроме того, отсутствие перетока жидкости из камеры в камеру в нижней части корпуса в связи с тем, что нижние вертикальные перегородки соединены с днищем, приводит к образованию застойных зон и в связи с этим к зарастанию днища шламом, что в свою очередь нарушает обновление жидкости, снижают массообменный процесс и дестабилизирует режим работы аппарата, Увеличение высоты от канала до днища в связи с превышением отметки последующих каналов по отношению к первому по

1787500 ходу газа уменьшают скорость циркуляции жидкости, что также ухудшает масообменный процесс и приводит к зарастанию днища.

Целью изобретения является повышение эффективности тепломассообмена при сохранении энергозатрат и повышение стабильности работы.

Поставленная цель достигается тем, что в тепломассообменном аппарате, включающем корпус со штуцерами для ввода и вывода жидкости и газа, установленные попарно и делящие аппарат на камеры верхние и нижние вертикальные перегородки, соединенные с ними наклонные перегородки с бортовинами, образующие размещенные на повышающихся по ходу газа уровнях прямоугольные каналы для прохода взаимодействующих фаз,причем верхние вертикальные перегородки выполнены с горизонтальной щелью, установленной с возможностью регулирования поперечного сечения и расположенной над основанием канала ниже уровня верхнего торца последующей по ходу газа нижней вертикальной перегородки, согласно изобретению отношение длины канала к его высоте составляет 2,3 — 2,5, а отношение его ширины к высоте 3,3 — 3,7, причем нижние вертикальные перегородки смещены относительно верхней вертикальной перегородки в сторону предыдущей камеры по ходу движения фаз на 0,3 — 0,5 высоты контактного канала для прохода взаимодействующих фаз, а верхняя кромка нижней образующей канала для прохода взаимодействующих фаз выполнена на уровне верхней кромки верхней образующей этого канала, и, кроме того, днище аппарата выполнено наклонным под углом, равным углу превышения каналов для прохода взаимодействующих фэз, Выполнение канала в соотношении его длины к высоте 2,3 — 2,5 и его ширины к высоте 3,3 — 3,7 обеспечивает повышение эффективности тепломассообмеча при сохранении энергозатрат, т,к. создаются условия образования потока высокой степени турбулентности при минимальных энергоз;. ратах, благодаря достижению рациональной аэродинамики движения потока.

Повышению турбулетности потока способствует возникновение (обрэзовачие) в нем открывных зон и завихрений. В конструкции контактного узла турбулизация потока достигается за счет образования отрывной зоны под верхней накл знной перегородкой и парных вихрей, образующихся в канале.

Движение потока в областях завихрений носит резко выраженный неустановившийся

55 пульсирующий характер, что существенно повышает его турбулизацию.

Выполнение нижних вертикальных перегородок со смещением относительно верхней вертикальной перегородки на величину 0,3 — 0,5 высоты канала для прохода взаимодействующих фаз обеспечивает повышение стабильности работы, благодаря увеличению допустимого диапазона колебания уровня жидкости с низкой сторонь из-за снижения отметки нижней кромки входного в канал отверстия, от которой зависит количество захватываемой газом жидкости и которая определяет границу эффективного захвата жидкости газом в канал, равную 1 (cM.òàáëèöó 3).

Выполнение верхней кромки образующей канала для прохода взаимодействующих фаз на уровне верхней кромки верхней образующей этого канала также обеспечивает повышение стабильности работы аппарата благодаря увеличению допустимогс повышения верхнего уровня жидкости из-за предотвращения перелива жидкости в канал и возможного его "захлебывания".

Выполнение днища аппарата наклонным под углом, равным углу превышения каналов для прохода взаимодействующих фаз обеспечивает предотвращение оседания шлама, благодаря организации соответствующей скорости движения шлама к выходному отверстию и обеспечению равномерной циркуляции жидкости вокруг нижней вертикальной перегородки каждого отсека.

На фиг.1 схематически изображен заявляемый тепломасообменный аппарат и разрез; на фиг.2 - узел l на фиг.1; на фиг.3— разрез А-А на фиг.2.

Аппарат содержит корпус 1, шту.,ер выхода газа, верхнюю 3 и нижнюю 4 наклонные перегородки, верхнюю вер1икальную перегородку 5, контактный канал для прохода взаимодействующих фаз 6, Hë)êíèå вертикальные перегородки 7. камеру очищенного газа 8, штуцер входа газа 9, в одную камеру 10, штуцер выхода шлама 11. отверстия для прохода жидкости и шлама

12, наклонное днище 13 и штуцер ввода жидкости 14, подвижную заслонку 15, щель

16 в верхней вертикальной перегородке 5. бортовины 17 канала 6. Аппарат работает следующим образом. Газ поступает через штуцер входа газа 9 корпуса 1 и проходя через каналы 6 для прохода взаимодействующих фаз из камеры 10 в каждую последующую камеру 8, покидает корпус 1 чере штуцер выхода газа 2. Перед поступлением в канал для прохода взаимодействующи фаз 6 газ соприкасается с поверхностьк

1787500 жидкости, заполненной до определенного уровня в корпусе 1 и перекрывающей часть входного отверстия в канал для прохода взаимодействующих фаз 6, силовой газожидкостного трения захватывает (сдирает) некоторое количество жидкости и проходя в канале для прохода взаимодействующих фаз 6 с высокой скоростью дробит жидкость в капли и пену, создавая условия эффективного взаимодействия контактирующих фаз. 10

Образующиеся в канале для прохода взаимодействующих фаз 6 отрывные зоны и парные вихри способствуют активной турбулизации газожидкостного потока и соответственно протеканию активного тепломассообменного процесса. Жидкость подают через штуцер ввода жидкости 14.

Перетекая из камеры в камеру 8 через отверстия 12 с одновременной циркуляцией вокруг нижних вертикальных перегородок

7, жидкость в виде шлама выводится через штуцер 11, высота которого обеспечивает необходимый уровень жидкости во входной камере 10. Жидкость подают в количестве, обеспечивающем улавливание активной составляющей газа с учетом возможных процессов испарения и конденсации, Превышение ступеней каналов равно по величине сопротивлению предыдущего канала ЛР», деленному на удельный вес жидкости р. Этим обеспечивается необходимый уровень жидкости во входном отверстии последующего канала.

Смещение нижних вертикальных перегородок 7 относительно верхних вертикальных перегородок 5 в сторону предыдущей по ходу движения газа камеры 8 допускает колебания уровня жидкости без нарушения режима работы, а верхняя кромка нижней наклонной перегородки 4, выполненная на уровне верхней кромки верхней наклонной перегородки 3, предотвращает переливание жидкой фазы в канал для прохода взаимодействующих фаз 6 при колебаниях верхнего уровня жидкости.

Благодаря наклонному днищу высота слоя жидкости от канала для прохода взаимодействующих фаз 6 до днища 13 одинакова, что определяет постоянную скорость циркуляции жидкости вокруг нижних вертикальных перегородок 7, которая обеспечивает приток свежей жидкой фазы для контакта с газом и предотвращение оседания шлама на днище 13. Этим обеспечивается стабильный процесс масообмена и эксплуатации аппарата.

В таблице 1 представлены результаты замеров зависимости коэффициента местного сопротивления канала для прохода

55 взаимодействующих фаз (и эффективности массообмена r от соотношения длины этоI го канала к его высоте — „, а в таблице 2 — от соотношения ширины этого канала к его выЬ соте †. В табл.3 представлено влияние веК личины смещения Z нижней вертикальной перегородки 7 относительно верхней вертикальной перегородки 5 и изменения уровня жидкости К на количество захватываемой газом жидкости m уд. (удельное количество)

Из табл.1 видно, что в пределах соотношения 1/h от 2,.3 до 2,5 изменения ф незначительно и по абсолютной величине минимально. Из таблицы 2 видно, что в пределах соотношения Ь/й 3,3 — 3,7 значение ф изменяется незначительно и также минимально по абсолютной величине.

Выполнение канала для прохода взаимодействующих фаз с геометрическими параметрами указанных соотношений позволит снизить его сопротивление и соответственно уменьшить энергозатраты на проведение тепломассообменного процесса.

Из табл.3видно,,что и ри смещении н ижней вертикальной перегородки относительно верхней вертикальной перегородки на величину, равную 0,3 — 0,5 высоты канала для прохода взаимодействующих фаз, диапазон колебания уровня жидкости, при котором достигается эффективный тепломассообмен, т,е. захват газом удельного количества жидкости, превышающего единицу, увеличивается.

Изобретение обладает по сравнению с прототипом следующими преимуществами: — повышение эффективности массообмена без увеличения энергозатрат; — стабильность режима работы; — упрощение эксплуатации.

Применение аппарата в качестве абсорбционной ступени сернокислого производства при непосредственном контакте олеума с газами $0з обеспечивает экономический эффект в размере 45 тыс. руб/год за счет увеличения производства серной кислоты и снижении капитальных и эксплуатационных затрат, Формула изобретения

1. Тепломасообменный аппарат, содержащий корпус, частично заполненный жидкостью, со штуцерами для ввода и вывода жидкости и газа и днищем, разделенный на камеры установленными попарно верхними и нижними вертикальными перегородками и соединенными с ними наклонными перегородками, имеющими бортовины и разме10

1787500

Таб,тица!

Результаты замеров зависимости коэффициента местного сопротивления и эффективности массообмена 8 ат соотношения lih при л - 0113. а» 30 : b/h-3.7„г3 Р« = 0.95 кПа

Зона допустимых изменений

2.4 2.5 2.7 6,4

0,447 0.45 0,67 0,75

0.976 0.971 0.963 0.960

0,82

0.957

2,13

0.61

0.961

2.3

0,445

0.979

I/h

1.8

0.98

0,951

1,7

1,03

095

Таблица2

Результаты замеров зависимости коэффициента мегтного сопротивления и эффективности массообмена т/ от соотношенииЬ/Ь прил 0113.а»30р: I/h-2.3; ЛР„=1.2 кПа

Эона оп стимых изменении

2,3 2.5 2.8 3.0 3.3 3.4 3.5 3.6 1 3.7 3,8 3,9 4.0

0.6 0.55 0,4 0.25 0.18 0.175 I ОЛ8 0.189 0,19 0,25 0.26 0.27

0.88 0.89 J 0.93 0.98 0.985 0.987 I 0 982 0.98 I О 98, 0.92 0.88 0.875

I /h

Ь прив г где к - коэффициент шероховатости: а -угол наклона канала.: Ь- ширина м h - высота. м ь прив - приведенный коэффициент сопротивления канала:

l - коэффициент эффективности массобмена. $ т Р» -гь дравлиьесоке сопротивление контактного канала.кПа

Таблица3

Влияние величины смещения нижней вертикальной перегородки относительно верхней вертикальной перегородки Z на количество захватываемой газом жидкости (удельное количество пруд) при снижении ее уровня относительно к высоте входного в канал отверстия. щенными с образованием на повышающихся по ходу газа уровнях прямоугольных контактных каналов, при этом верхние вертикальные перегородки выполнены с горизонтальной щелью и с возможностью регулирования ее поперечного сечения, щель расположена над основанием канала ниже уровня верхнего торца последующей по ходу газа нижней вертикальной перегородки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности тепломассобмена при сохранении энергозатрат и увеличения стабильности работы. отношение длины каждого контактного канала к высоте составляет 2,3 — 2,5, отношение ширины канала к высоте — 3,3 — 3,7, а нижние вертикальные перегородки каждой последующей камеры смещены относительно верхней вертикальной перегородки в сторону предыдущей по ходу газа камеры.

2. Аппарат по п.1, отличающийся

5 тем, что величина смещения нижней перегородки относительно верхней составляет 0,3 — 0,5 высоты контактного канала.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что верхняя кромка нижней наклонной

10 перегородки контактного канала выполнена на уровне верхней кромки верхней наклонной перегородки этого канала.

4. Аппарат по п,1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью предотвращения оседания

15 шлама, днище аппарата выполнено наклонным под углом, равным углу превышения контактных каналов.

1787500

0трыдиао гона

5 4 ю 17

Составитель И.Гришков

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор Н. Кешеля

Редактор Q.Õîäàêîâà

Заказ 24 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101