Способ очистки газовых потоков от газообразных примесей и устройство для его осуществления

 

.Использование: очистка газовых потоков , используемая для сепарации газообразных конденсируемых примесей из газов, движущихся по трубопроводам под действием-избыточного давления. Сущность изобретения: в потоке очищаемого газа в процессе охлаждения и закрутки возбуждают ультразвуковые низкочастотные колебания на резонансных частотах низших мод поперечных колебаний, для чего используется устройство, в котором направляющие шнека-завихрителя выполнены в виде теплообменника-змеевика ,; связанного одним концом с источником хладоносителя, другим - с дренажом, шнек выполнен в виде составного полого цилиндра с отверстиями в боковой стенке, соединяющими его внутреннюю полость с полостями каналов шнека , на торце первой по ходу потока части шнека выполнены цилиндрическое углубление с заостренной входной кромкой, образующие с входным патрубком, выполненным в виде сверхзвукового сопла, газодинамический ультразвуковой излучатель, а вторая часть шнека выполнена в виде жестко связанного с корпусом цилиндрического стакана, относительно которого первая часть установлена с возможностью осевого перемещения, при этом витки змеевика образуют пружину с уменьшающимся по ходу потока шагом, концы которой жестко связаны с корпусом, а один из промежуточных витков соединен с первой частью шнека. 2 С.п. ф-лы, 4 ил, И

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.. Ю 1797954 А1 (я)з В,01 0 45/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР I (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ вЂ” — «;- I

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4840276/26 (22) 02.04,90 (46) 28.02.93. Бюл, ¹ 8 (75) Н,К.Тюрин, В,Н.Кучкин, M,Н.Бережной, С,И.Перин, В,Г,Писарев и Е.Е.Литваков (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 837369, кл. В 01 D 45/12, 1981, (54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ ОТ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57),Использование: очистка газовых потоков, используемая для сепарации газообразных конденсируемых примесей из газов, движущихся по трубопроводам под действием избыточного давления, Сущность изобретения: в потоке очищаемото газа в. проЦессе охлаждения и закрутки возбуждают ультразвуковые низкочастотные колебания на резонансных частотах низших мод поперечных колебаний, для чего используется устройство, в котором направляющие Изобретение относится к газовой очистке и может быть использовано для сепарации газообразных конденсируемых примесей из газов, движущихся по трубопроводам под действием избыточного давления, Целью заявляемого изобретения является повышение эффективности очистки путем интенсификации процессов конденсации и роста образующихся капель.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для очистки газовых потоков;. на фиг. 2 — эпюра амплитуд давлений стоячей волны во внутренней полости тела шнека; шнека-завихрителя выполнены в виде теплообменника-змеевика, связанно о одним концом с источником хладоносителя, другим — с дренажом, шнек выполнен в виде составного полого цилиндра с отверстиями в боковой стенке, соединяющими его внутреннюю полость с полостями каналов шнека, на торце первой по ходу потока части шнека выполнены цилиндрическое углубление с заостренной входной кромкой, образующие с входным патрубком, выполненным в виде сверхзвуковогс сопла, газодинамический ультразвуковой излучатель, а вторая часть шнека выполнена в виде жестко связанного с корпусом цилиндрического стакана, относительно которого первая часть установлена с возможностью осевого перемещения, при этом витки змеевика образуют пружину с уменьшающимся по xoду потока шагом, концы которой жестко связаны с корпусом, а один из промежуточных витков соединен с первой частью шнека. 2 с.п. ф-лы, 4 ил, на фиг. 3, 4 — эпюры амплитуд давлений стоячей волны в канале шнека.

Как указывалось ранее, основным недостатком известных способа и устройства является низкая эффективность очистки в связи с малыми размерами конденсирующихся частиц, поэтому для повышения эффективности очистки необходимо интенсифицировать процессы образования и роста образующихся капель во время закоутки потока, В предлагаемом способе такая интенсификация достигается за счет воздействия на поток ультразвуковым полем. частота которого совпадает с резонансной частотой

1797954

1 поперечных колебаний каналов шнека в на, правлении нормали к змеевику. Действие колебаний давления, интенсифицирующих процесс образования и роста капель, заключается в следующем, 5

Во-первых, пульсации давления газа в каналах шнека-завихрителя существенно интенсифицируют процесс конденсации, т.к. в течение половины периода колебаний давления оно становится ниже давления на- 10 сыщения, а пар переходит вметастабильное состояние. Метастабильное состояние для реальных паров, содержащих механические примеси (например, частицы, являющиеся результатом износа оборудования), является неустойчивым и приводит к лавинообразной конденсации паров. Во вторую половину периода колебаний давление становится выше давления насыщения, однако, иэ-за медленности процессов испарения 20 (по сравнению со скоростью колебаний давления) испарение капли произойти не может, Во-вторых, первоначально мелкодисперсные капли жидкости йод действием 25 давления низкочастотной ультразвуковой волны, проникающей в каналы шнека через отверстия в боковых стенках внутренней полости тела шнека, начинают совершать колебательйые движения с частотой .f в 30 пространстве каналов шнека-завихрителя, Таким образом, на спиралеобразную траекторию движения микроскопических (сраэу после момента образования) капель накладываются колебательные с частотой f пере- 35 мещения, в результате чего капля . периодически попадает в зоны переохлажденного (метастабильного) пара и вь1зывает интенсификацию процесса конденсации, становясь ядром (центром) конденсации. 40

При этом размер самой капли интенсивно растет.

В-третьих, эффективность описанных механизмов пропорциональна амплитуде колебаний давления, зависящей от мощно- 45 сти источника, Мощность обычных газоструйных излучателей ограничена, и в обычно реализуемых конструкциях поток энергии не превышает 10 Вт/см2, Однако, плотность энергии в замкнутом объеме мо- 50 жет быть повышена в десятки раэ при совпадении частоты собственных колебаний объема. в нашем случае, каналов шнека, с частотой вынуждающих колебаний, возбуждаемых излучателем, т,e. при обеспечении 55 резонанса, Под воздействием колебаний, возбуждаемых ультразвуковым излучате лем в акустически связанном с ним цилиндрическом стакане, устанавливается стоячая волна, эпюра амплитуд А давлений которой представлена на фиг. 2, где L — длина внутренней полости, Л вЂ” длина волны низкочастотных ультразвуковых колебаний

Л= с/f. где с — скорость звука, f " "частота ультразвуковых колебаний. Колебания давления во внутренней полости тела шнека возбуждают колебания скорости газа в отверстиях боковой стенки, . которые в совокупности с каналами шнека образуют соответственно горло и полость резонатора. Расположение отверстий в зоне пучностей (максимумов амплитуд) давления обеспечивает максимальную колебательную скорость газа в каналах отверстий и в свою очередь наибольшую амплитуду колебаний в каналах шнека, Кратность размера канала шнека в направлении нормали. к змеевику целому числу полуволн обеспечивает образова-. ние стоячей волны в.канале, эпюры амплитуддавления которой представлены на фиг. Э, при этом эпюраа)-для h= —; б)-для

Л.

h = 2 —, где h — ширина канала, il, — длина

: Л волны, Распределение амплитуд давлений низкочастотной ультразвуковой волны, каЮертвенно представленное на фиг. 3,приводит к тому, что на капли, движущиеся в канале шнека, будут действовать силы (в направлении узлов стоячей волны), перемещающие капли от стенок змеевика к центру. Таким образом, в зонах узлов стоячей волны в каналах шнека ультразвуковое. поле обеспечит наибольшую концентрацию капель малых размеров, что приведет к их слиянию в крупные капли, которые из-за своих размеров и массы при выходе из каналов шнека не будут уноситься спутным потоком газа.

Кроме того, движение малых капель во время пребывания в шнеке от стенок обеспечивает защиту змеевика от обмерзания, и, следовательно, повышает КПД устройства, В-четвертых, создание стояией волны, удовлетворяющей условию h = —, где

Л

Л = с/f u h = n —, где n - 1,2,3... в рассматЛ риваемой системе реализуется еще и тем, что змеевик выполнен в виде цилиндрической пружины переменного,.уменьшающегося по ходу потока шага. Так, по мере продвижения потока по каналу шнека, он охлаждается, при этом меняется скорость

1797954 звука с в газе потока, следовательно, меняется и длина волны Л, откуда, исходя из

Л Л равенства h = — — или n —, должна менять2 2 ся и ширина канала. Величина изменения 5 ширины канала пропорциональна уменьше-. нию скорости звука в охлаждаемом газе и определяется из условия;

10 где и — 1,2.3,..., f — частота колебаний, возбуждаемых ультразвуковым излучателем, R — универсальная газовая постоянная, у — по- 15 казатель адиабаты газа, Т вЂ” температура осушаемого газа на входе в шнек, Л Т— изменение температуры осушаемого газа на длине одного шага змеевика.

Величины Т и ЛТ определяются из теп- 20 лового расчета теплообменника. При такой реализации технического решения в каналы шнека. через отверстия в боковой стенке внутренней полости тела шнека излучается звуковой поток одинаковой интенсивности 25 с постоянной максимальной амплитудой, а в полостях каналов реализуется стоячая

° волна, обеспечивающая описанные выше эффекты образования крупных капель жидкой фазы примесей. 30

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит (фиг.1) корпус 1 с входным патрубком 2 и расположенным внутри корпуса шнеком-завихрителем 3, выходной патрубок 4 и охватывающую выход- 35 ной торец шнека 3 и выходной патрубок 4 камеру осаждения 5 со спивным патрубком

6, Направляющие шнека-завихрителя 3 выполнены в виде теплообменника-змеевика

7, связанного одним концом через вентиль 40

8 с источником хладоносителем 9, другим с дренажом 10. Тело шнека выполнено в виде составного полого цилиндра с отверстиями

11 в боковой стенке, соединяющими его внутреннюю полость 12 с полостями кана- 45 лов шнека 13, На торце первой по ходу потока части l4 тела шнека выполнены цилиндрическое углубление 15 с заостренной входной кромкой 16, образующие с входным патрубком 2, выполненным в виде 50 сверхзвукового сопла, газодинамический ультразвуковой излучатель. Вторая часть 17 тела шнека выполнена в виде жестко связанного жестко связанного с корпусом цилиндрического стакана, относительно 55 которого первая часть 14 установлена с возможностью осевого перемещения. Витки теплообменника-змеевика 7 образуют пружину с уменьшающимся по ходу потока шагом, концы 18 которой жестко связаны с корпусом, а один иэ промежуточных витков

19 жестко соединен с первой подвижной частью 14 тела шнека. Параметры углубления на торце первой части 14 определяются из соотношения

4 (1+0,3 d) где с — скорость звука, f — резонансная частота,! — глубина, d — диаметр.

Размеры полости 12, расположение отверстий 11 и шаг змеевика 7 определяются из соотношений, указанных в описании предлагаемого способа.

Работает устройство следующим образом. Влажный газ подается на вход патрубка 2, в сопле которого он разгоняется до сверхзвуковой скорости и, взаимодействуя с острой кромкой 16 и углублением i5, возбуждает низкочастотные ультразвуковые колебания подвижной части 14 тела шнека с частотой f, определяемой параметрами углубления 15 и равной f— с .В зто время из криогенной емкости 7, заправленной жидким азотом, через открытый вентиль 8 (вентиль 20 закрыт) жидкий азот подается в каналы теплсобменника-змеевика 7, где он, испаряясь, охлаждает стенки канала 13 до низкой температуры и сбрасывается в атмосферу через дренаж 10, Влажный газ после взаимодействия с подвижной частью 14 тела шнека попадает в каналы 13 шнека-завихрителя 3. На некотором расстоянии от входа в каналы 13 влажный газ, например. водород, охлаждается холодными стенками каналов до температуры конденсации отделяемой примеси, например, паров воды, Происходит конденсация паров примеси в газовом потоке. При этом колеблющаяся с ультразвуковой частотой подвижная часть 14 возбуждает во внутренней полости 12 ультразвуковые пульсации давления, которые через отверстия 11 передаются в полости каналов 13.

Пульсации давления газа в каналах 13 шнека 3 образуют стоячую волну и приводят к реализации следующих эффектов, описанных ранее (описание способа): во-первых, ITl -кратная реализация метастабильного состояния пара, где m — число порядка отношения длины канала шнека-завихрителя L ê произведению скорости движения гаэа по каналу на период ультразвуковых колебаний; во-вторых, колебательное движение капли около спиралеобразной траектории;

1797954 в-третьих. создание максимальных амплитуд пульсации давлений; в-четвертых, реализация в каналах шнека стоячей волны.

Использование этих эффектов позволяет значительно повысить интенсивность конденсации, роста и коагуляции капель.

Полученные таким образом капли жидкости под действием центробежных сил, возникающих в результате движения дисперсного потока по винтовым каналам 13 шнека 3, перемещается к периферии последнего и при выходе потока в камеру осаждейия 5 сбрасываются к ее стенкам и удаляются через сливной патрубок 6.

Таким образом, использование изобретения позволит повысить эффективность очистки за счет интенсификации процессов конденсации, роста и коагуляции капель примеси, расширить диапазон очищаемых газов за счет возможности получения, в сравнении с прототипом, более низких температур, Формула изобретения

1. Способ очистки газовых потоков от газообразных примесей, заключающийся в конденсации паров примеси при .охлаждении потока и центробежной сепарации газа от образовавшихся капель, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса очистки путем интенсификации процессов конденсации и роста образующихся капель, в потоке в процессе охлаждения и закрутки возбуждают ультразвуковые низкочастотные колебания на резонансных частотах низших мод поперечных колебаний, 2. Устройство для очистки газовых пото5 ков от газообразных примесей, содержащее цилиндрический корпус с входным патрукбом и расположенным внутри корпуса шнеком-завихрителем, выходной патрубок и охватывающую выходной торец шнека и вы10 ходной патрубок камеру осаждения, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса очистки путем интенсификации процессов конденсации и роста образующихся капель, направляющие

15 шнека-завихрителя выполнены в виде теплообменника-змеевика, связанного одним концом с источинком хладоносителя, другим — с дренажом, шнек выполнен в виде составного полого цилиндра с отверстиями

20 в боковой стенке, соединяющими его внутреннюю полость с полостями каналов шнека, на торце первой по ходу потока части шнека выполнены цилиндрическое углубление с заостренной входной кромкой, 25 образующие с входным патрубком, выполненным в виде сверхзвукового сопла, гаэо динамический ультразвуковой излучатель, а вторая часть шнека выполенна в виде жестко связанного с корпусом цилиндрического

30 стакана, относительно которого первая часть установлена с возможностью осевого перемещения, при этом витки змеевика образуют пружину с уменьшающимся. по ходу потока шагом, концы которой жестко связа35 ны с корпусом, а один иэ промежуточных витков соединен с первой частью шнека.

1797954

1797954

Составитель Н.Тюрин

Техред М,Моргентал

Редактор А,Пигина

Корректор Н.Милюкова

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

Заказ 731 Тираж Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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