Тепломассообменный аппарат

 

Изобретение относится к аппаратурному оформлению тепломассообмена в системе газ-жидкость и может быть использовано для проведения процессов абсорбции , десорбции, осушки и очистки газа в химической, нефтехимической, пищевой и смежных отраслях промышленности. Цель - повышение эффективности работы и улучшение технологичности конструкции пленочного тепломассообменного аппарата. Аппарат содержит вертикальный корпус 1 с трубами 2, з акрепленными в трубных решетках 3 и 4, и средство 5 подачи жидкости к трубам 2. В их верхнюю часть плотно § Жидкость (Л Ю 4 СП со Oi 00 сз: 21 ТепАоноси - те ль 20 Жидкость

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ц11 4 В 01 D 3/28

OllHGAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Жидкость

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4257615/23-26 (22) 05.06.87 (46) 23.02.89. Бюл. № 7 (71) Горьковский политехнический институт им. А. А. Жданова (72) В. М. Косырев, Л. А. Бахтин, В. М. Ульянов и Л. Я. Живайкин (53) 66.015.23 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 392948, кл. В 01 D 3/04, 1969.

Соколов В. Н. и Доманский И. В. Газожидкостные реакторы.— Л.: Машиностроение, 1976, с. 216.

Авторское свидетельство СССР № 473510, кл. В Ol D 53/20, 1971.

Авторское свидетельство СССР № 1240428, кл. В 01 D 3/28, 1984.

ÄÄSUÄÄ 1459686 А1 (54) ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ (57) Изобретение относится к аппаратур, ному оформлению тепломассообмена в системе газ — жидкость и может быть использовано для проведения процессов абсорбции, десорбции, осушки и очистки газа в химической, нефтехимической, пищевой и смежных отраслях промышленности. Цель— повышение эффективности работы и улучшение технологичности конструкции пленочного тепломассообменного аппарата. Аппарат содержит вертикальный корпус 1 с трубами 2, закрепленными в трубных решетках 3 и 4, и средство 5 подачи жидкости к трубам 2. В их верхнюю часть плотно

1459686

10

an àaëåHû распределители 7 в виде двух элементов дугового профиля, пространство между которыми разделено перегородкой линейного или криволинейного сечения.

Свободные края элементов дугового профиля на уровне торцов труб 2 имеют над1

Изобретение относится к аппаратурному оформлению тепломассообмена в системе газ — жидкость и может быть использовано для проведения теплонапряженных процессов абсорбции, десорбции и осушки газа в химической, нефтехимической и смежных отраслях промышленности, в частности эффективное использование устройства возможно в производстве серной кислоты на стадии абсорбции триоксида серы.

Цель изобретения — повышение эффективности работы за счет распределения жидкой фазы двумя потоками и улучшение технологичности конструкции.

На фиг. приведен предлагаемый аппарат, продольный разрез; на фиг. 2 — распределитель с перегородкой линейного сечения, аксонометрия; на фиг. 3 — распределитель с перегородкой криволинейного сечения, вид сверху; на фиг. 4 — развертка распределителя; на фиг. 5 — схема приспособления для изготовления распределителей.

Тепломассообменный аппарат содержи вертикальный корпус 1, содержащий трубы

2, закрепленные в трубных решетках 3 и 4, средство 5 подачи жидкости к ним, например форсунку, которая установлена в распределительной камере 6 над распределителями 7 жидкости. Последние плотно вставлены в верхней части труб 2. Аппарат установлен на сборнике-сепараторе 8. Распределитель 7 выполнен из тонколистового ма териала и образован двумя плотно встав. ленными в трубу элементами 9 дугового профиля. Цилиндрическое пространство между ними разделено перегородкой 10 линейного (фиг. 2) или криволинейного (фиг. 3) сечения, вертикальные кромки

11 которой соединены с диаметрально расположенными краями 12 элементов 9 дугового профиля. Свободные края 13 элементов 9 дугового профиля снабжены горизонтальными надрезами 14 на уровне верхних торцов труб. Размещенные над ними прямоугольные участки отогнуты наружу в виде упорно-направляющих козырьков 15 с образованием вертикальных питающих каналов

16. При установке распределителей в трубы нижняя кромка козырьков выполняет функцию ограничителя перемещения в вертикальном направлении. Согнутый из развертки

40 резы, участки над которыми отогнуты наружу в виде упорно-направляющих козырьков, образующих вертикальные питающие каналы. Аппарат работает в режиме нисходящего прямотока фаз при скорости газа в трубах до 30 м/с. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 2-табл.

2 (фиг. 4) распределитель обладает пружинящими свойствами, благодаря чему он легко устанавливается и надежно фиксируется в трубе аппарата. Форма питающего канала 16 обеспечивает тангенциальный плавный вход жидкости в распределитель 7 и трубу 2. Упорно-направляющие козырьки 15 наряду со своей основной функцией выполняют роль успокоителей жидкости на трубной решетке 3.

Тепломассообменный аппарат снабжен патрубками 17 — 22 для входа и выхода газа, жидкости и теплоносителя соответственно.

Распределители 7 могут быть легко изготовлены из заготовок прямоугольной формы (фиг. 4) способом гибки на вороте (фиг. 5). В прорезь 23 ворота 24 станка вставляется заготовка. После этого вороту сообщается вращательное движение. Взаимодействуя с нажимными роликами 25, заготовка приобретает форму распределителя. После отгиба упорно-направляющих козырьков распределитель готов.

Простота изготовления распределителей

7 в совокупности с возможностью использования трубчатки серийно выпускаемых стандартных тепломассообменников . обеспечивает высокую технологичность конструкции.

Тепломассообменный аппарат работает следующим образом.

Жидкость по патрубку 19 подводится к форсунке 5, которая распыливает ее по сечению аппарата с образованием небольшого уровня над поверхностью трубной решетки 3. Основная часть жидкости, пройдя каналы 16 распределителей 7, в виде пленки стекает по внутренней поверхности труб. Газ по патрубку 17 вводится в верхнюю часть распределительной камеры 6.

Здесь он взаимодействует с факелом распыла форсунки, захватывает в виде капель другую часть жидкости, распределяется по трубам аппарата, проходя через распределители 7. Благодаря большой скорости газового потока (до 30 м/с) и наличию в нем турбулентных пульсаций уже на небольшом расстоянии от входа в трубу капли жидкости попадают на стенку, где они сливаются со стекающей пленкой. Одновре1459686

К=Кф. Рф+К„Р„, менно происходит процесс отрыва капель с гребней волн, образующихся на поверхности пленки, которые увлекаются в ядро газового потока. Процессы слияния капель с жидкой пленкой и их отрыва с гребней волн в режиме высокоскоростного нисходящего прямотока приводят к образованию в трубах сильно турболизованной пленочной зоны контакта фаз и газожидкостной смеси определенной концентрации (капельной зоны контакта фаз) с интенсивным обновлением поверхности контакта газа и жидкости. Это обеспечивает высокую интенсивность проводимых в аппарате процессов и высокую пропускную способность по фазам.

Покидая трубы, газ и жидкость попадают в сборник-сепаратор 8. Газ выводится из последнего через патрубок 18, меняя свое направление на 180 . Благодаря инерционным силам капли жидкости осаждаются в нижней части сборника-сепаратора 8, жидкая фаза выводится из аппарата через патрубок 20. Для отвода тепла процесса в межтрубное пространство аппарата по патрубку 21 вводят теплоноситель, который отводится по патрубку 22. В случае контактирования в трубах аппарата газа с жидкостью, вязкость которой сильно превышает вязкость воды в межтрубном пространстве (напри мер серная кислота), организация в трубах высокоскоростного нисходящего прямотока газа и пленки жидкости (W=10 — 30 м/с) существенно интенсифицирует (в 1,5 — 2,5 раза) процесс отвода тепла реакции по сравнению со случаем простого гравитационного стекания пленки. Это позволяет иметь аппарат с более низкой поверхностью теплообмена, а следовательно, и с меньшей металлоемкостью.

В предлагаемом аппарате жидкая фаза вводится в трубы двумя путями: равномер. но в виде пленки жидкости через питающие каналы 16 распределителей 7 под действием давления гидростатического столба жидкости на трубной решетке и менее равномерно (за счет исходной неравномерности орошения трубной решетки форсункой) в виде газожидкостной смеси через верхнее се чение распределителя 7, примерно равное внутреннему сечению трубы.

Поскольку в нредлагаемом аппарате в качестве теплообменно-о устройства целесообразно испол ьзоват ь трубчатку серийно выпускаемых стандартных одноходовых кожухотрубчатых теплообменников, легко рассчитать долю жидкости, подаваемую в трубы неравномерно Рф (в®). Эта доля жидкости приблизительно равна отношению сечения трубного пространства Ьр к поперечному сечению аппарата по внутреннему диаметру 1 :

Рф= -" - 100.

3(Р

При этом доля жидкости, подаваемая в трубы равномерно в виде пленки, Р,=100 — Рф, Используя данные одноходовых кожухотрубчатых теплообменников типа ТН и ТК, рассчитывают значения Рф и Р„для трубчаток различного типоразмера (табл. 1).

В качестве коэффициента неравномерности Кн распределения по сечению аппарата скоростей, плотности орошения и других параметров принимают отношение максимального значения параметра к средней (по сечению) его величине. При идеально равномерном орошении форсункой сечения аппарата Кн=1.

Для предлагаемого аппарата значение коэффициента неравномерности орошения труб определяют по формуле где ʄ— коэффициент неравномерности орошения труб через щели распределителей, значение которо -о можно принять равным К„=1.

Подставляя численные значения для теплообменника диаметром 600 мм с трубами диаметром 20 мм, получают К= 1,29.

Это значение коэффициента неравномерности является малой величиной (не превышает значение коэффициента неравномерности распределения скоростей по сечению аппарата при турбулентном режиме). Сравнение полученной неравномерности с неравномерностью орошения форсункой показывает, что для предлагаемого аппарата коэффициент неравномерности меньше в

1,55 раза.

Проверку работоспособности распределителя 7 проводят на экспериментальном стенде для изучения теплоотдачи и гидродинамики при нисходящем прямотоке газа (воздуха) и пленки жидкости. Основной элемент стенда — медная труба внутренним диаметром 21 мм и высотой 1856 мм

Распределитель жидкости вставляют в верхнюю часть трубы, над верхним торцом которой он выступает на 30 мм. Ширина вертикальных питающих каналов составляет

2 мм. Верхняя часть трубы с распределителем помещена внутри распределительной камеры диаметром 125 мм, в распределитель подают воздух и воду. Распределитель формирует на стенке трубы пленку жидкости, а газ проходит над ее поверхностью по трубе сверху вниз и отводится со стенда. Расход воздуха измеряют ротаметром типа РМ-25 ГУЗ и сдвоенной диафрагмой.

Расход жидкости — ротаметром РМ-0,4 ЖУЗ

Скорость воздуха в трубе W меняют от

1459686

Формула изобретения

Таблица 1

Внутренний диаметр D мч

Пока- Диаметр затели труб d, мм

273 400 - 600 800 1000 1200

30,5

20,5 28,6 28,9 29,4 30,3

24,0 30,2 31,8 33,2 34,4

79,5 71,4 71,1 70,6 69,7

76 0 69 8 68 2 66 8 65 6

34,5

69,5

Рв 20

65,5

0 до 33 м/с, а плотность орошения Г, от

3 ° 10 4 до 17 10 м /с.

Стенд оборудован приборами для опре деления среднего коэффициента теплоотдачи и и измерения перепада давления ЛР/1.

Подвод тепла к стекающей пленке дистиллированной воды осуществляют по методу постоянного теплового потока — электрообогревом.

Согласно опытам получают хорошее ка,. чество распределения жидкости по внут: ренней поверхности трубы, что подтверж дается высокими значениями коэффициента теплоотдачи как при гравитационном стекании пленки 1W=O), так и при нисходящем прямотоке фаз. В табл. 2 приведены результаты экспериментов, выполненных при

; двух плотностях орошения.

Из приведенных данных видно, что с

: увеличением скорости Wд,о 7 — 8 м/с наблюда: :ется незначительный рост сопротивления орошаемой трубы. Коэффициент теплоот, дачи при этом практически равен коэффициенту теплоотдачи при W=0. В области

: :сильного влияния газа на пленку жидкости W) 7 — 8 м/с наблюдается заметный прирост

; сопротивления трубы и наблюдается рост интенсивности теплоотдачи.

Опыты, выполненные на стенде с традиционным щелевым распределителем жидкости дают аналогичные результаты. Поскольку интенсивность теплоотдачи в значительной мере определяется равномерностью распределителя жидкости, высокие значения коэффициентов теплоотдачи а подтверждают хорошую работу распределителя.

Предлагаемый аппарат обеспечивает по сравнению с известным. повышение эффективности работы, что достигается более равномерным распределением газа и жидкости по трубам аппарата. Их равномерное распределение позволяет работать всем трубам аппарата в режиме одинаково высокой интенсивности и эффективности процесса, исключая проскок газа по сече5 нию «сухих» труб. Кроме того, улучшение технологичности конструкции тепломассообменного аппарата, что достигается использованием трубчатки серийно-выпускаемых стандартных кожухотрубчатых теплообменников и установкой в верхней части труб недорогих и простых в изготовлении распределителей из листового материала.

1. Тепломассообменный аппарат, включающий вертикальный корпус, закрепленные в решетках трубы, средство для подачи жидкости к ним, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы за счет распределения жидкой фазы двумя потоками и улучшения технологичности конструкции, он снабжен распределителями, плотно вставленными в верхнюю часть труб, выполненными в виде двух элементов дугового профиля, цилиндрическое пространство

25 между которыми разделено перегородкой линейного или криволинейного сечения, вертикальные кромки которой соединены с двумя диаметрально расположенными краями элементов дугового профиля, при этом два других их свободных края на уровне верхних торцов труб выполнены с надрезами и размещенные над ними участки отогнуты наружу в виде упорно-направляющих козырьков, образующих питающие каналы с наружной поверхностью дугового профиля.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что верхняя часть распределителей, выступающая над трубами, выполнена с перфорацией.

145968б

I о(, Вт/м ° К

W, м/с дР— Э м/с —, Па/м дР

4350

5260

4260

1,67

1,67

5151

5050

4215

3,48

13,2

3,48

5,28

4266

5125

46,4

33,2

5,3

4318

5150

7,21

7,18

4639

9,08

5521

5005

11,16

11,22

5886

5384

13, 25

15,21

17,17

6452

13,31

5697

15,28

17,25

6963

5772

1177,0

7261

5997

7524

19,6

19, 71

6660

7964

24,97

6546

27,3

6504, 0

8500

27,3

6971

33,09

Г = 565 ° 10 " м /с

119,7

245,3

469,9

775,0

1089,0

1314, 5

2462,3

2894,0

3610,0

Т аблица 2

Г„= 11,00 10 " м /с

178,8

510, 1

761,3

"1201,7

1579,4

1903, 1

2256,3

22,05 4189,0

1459686 ото&а

Составитель А. Сондор

Редактор Н. Бобкова Техред И. Верес Корректор В. Бутяга

Заказ 387/4 Тираж 600 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина„101