Массотеплообменный аппарат

 

Изобретение относится к конструкциям массотеплообменных колонных аппаратов, применяемых в химической и смежных с ней отраслях промышленности для проведения процессов между газом (паром) и жидкостью в режиме инверсии фаз, и позволяет повысить тепломассообен путем создания термостатированной зоны по всей высоте аппарата. Массотеплообменный аппарат со слоем насадки снабжен установленной снаружи корпуса термостатирующей обечайкой , узлом ввода теплоносителя, который расположен под опорной решеткой и представляет собой патрубок змеевика, установленного с межвитковым зазором внутри корпуса на участке от опорной решетки до узла вывода жидкости и плотно прилегающего к внутренней поверхности корпуса, при этом выход змеевика объединен с полостью термостатирующей обечайки. Узел ввода газа (пара) расположен в межвитковом зазоре змеевика и выполнен тангенциально под углом к оси корпуса, равным углу навивки змеевика, межвитковый зазор которого равен диаметру узла ввода газа (пара ). Опорная решетка выполнена в виде архимедовой спирали с уменьшающимся шагом от центра к периферии, причем направление навивки архимедовой спирали совпадает с направлением навивки змеевика . 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (<() (я)5 В 01 О 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

I ay+Y (21) 4826583/26 (22) 17.05.90 (46) 23.03.92. Бюл. М 11 (71) Рубежанский филиал Днепропетровского химико-технологического института им.

Ф.Э. Дзержинского (72) М.А. Бренер, З.Н. Мемедляев, В,Г, Тимко, А.М. Рябиков, Н.Г, Бренер и А.B. Микуленко (53) 66,071.7.05 (088,8) (56) Лебедев А.Я. Установка для денитрации и концентрирования серной кислоты. — М.:

Химия, 1972, с. 84. (54) МАССОТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ (57) Изобретение относится к конструкциям массотеплообменных колонных аппаратов, применяемых в химической и смежных с ней отраслях промышленности для проведения процессов между газом (паром) и жидкостью в режиме инверсии фаз, и позволяет повысить тепломассообен путем создания термостатированной зоны по всей высоте

Изобретение относится к конструкциям массотеплообменных колонных аппаратов, применяемых в химической и смежных с ней отраслях промышленности для проведения процессов между газом (паром) и жидкостью в режиме инверсии фаз.

Известен поглотительный насадочный аппарат, содержащий корпус и расположенный в нем на опорной решетке слой насадки, распределитель жидкости и узел ее вывода, расположенные над и под слоем аппарата, Массотеплообменный аппарат со слоем насадки снабжен установленной снаружи корпуса термостатирующей обечайкой, узлом ввода теплоносителя, который расположен под опорной решеткой и представляет собой патрубок змеевика, установленного с межвитковым зазором- внутри корпуса на участке от опорной решетки до узла вывода жидкости и плотно прилегающего к внутренней поверхности корпуса, при атом выход змеевика объединен с полостью термостатирующей обечайки. Узел ввода газа (пара) расположен в межвитковом зазоре змеевика и выполнен тангенциально под углом к оси корпуса, равным углу навивки змеевика, межвитковый зазор которого равен диаметру узла ввода газа (пара). Опорная решетка выполнена в виде архимедовой спирали с уменьшающимся шагом от центра к периферии, причем направление навивки архимедовой спирали совпадает с направлением навивки змеевика, 1 з,п..ф-лы, 2 ил. насадки соответственно и узлы ввода и вывода газа (пара), расположенные под и над слоем насадки соответственно.

При проведении в таком аппарате десорбционно-абсорбционных процессов и физико-химических процессов с выделением (поглощением) тепла отвод последнего осуществляется методом циркуляции орошающей жидкости или обрабатываемого газа (пара) в выносном теплообменнике.

Термостатирование всего процесса в насад1720678 ке и под опорной решеткой в этом случае не происходит, так как зона с более высокой температурой вследствие, например, экзотермической реакции находится у опорной решетки, а возникающая при этом разность температур между жидкостью и газом) в целом по высоте аппарата в значительной степени оказывает влияние на эффективность массообмена. Кроме того, начало экзотермического процесса проявляется уже на входе газа (пара) в аппарат при поверхностном межфазном взаимодействии с жидкостью, стекающей из насадки.

Усугубляющим этот недостаток фактором является то, что газы (пары), поступающие на поглощение, как правило разогреты на предыдущих стадиях их образования и при повышенной температуре содержат туманы или пары легколетучих компонентов. В процессах абсорбции при изменении температуры процесса в результате взаимодействия газа (пара) и жидкости изменяется положение линии равновесия, так как равновесная концентрация газовой фазы является функцией не только концентрации жидкости, но и ее температуры. Так, при повышении температуры газа (пара) или жидкости линия равновесия сдвигается вверх, что приводит к уменьшению движущей силы, а следовательно, снижению тепломассообменной способности аппарата.

Целью изобретения является повышение тепломассообменной способности путем создания термостатированной зоны nG всей высоте аппарата.

Поставленная цель достигается тем, что в массотеплообменном аппарате, содержащем корпус, расположенный в нем на опорной решетке слой насадки, распределитель жидкости и узел ее вывода„расположенные над и под слоем насадки соответственно, и узлы ввода и вывода газа (пара), расположенные под и над слоем насадки соответственно, снаружи корпуса на участке от распределителя жидкости до узла ее вывода установлена термостатирующая обечайка, узел ввода теплоносителя в которую расположен под опорной решеткой и представляет собой выведенный за пределы корпуса патрубок змеевика, установленного с межвитковым зазором внутри корпуса на участке от опорной решетки до узла вывода жидкости и плотно прилегающего к внутренней поверхности корпуса, выход змеевика объединен с полостью термостатирующей обечайки, причем узел ввода газа (пара) расположен в межвитковом зазоре змеевика и выполнен тангенциально под углом к оси корпуса, равным углу навивки змеевика, межвитковый зазор ко10

15 торого равен диаметру узла ввода газа (паpa), а опорная решетка выполнена в виде архимедовой спирали с уменьшающимся шагом от центра к периферии.

Целесообразно направление навивки змеевика выполнить совпадающим с направлением навивки архимедовой спирали опорной решетки, Сущность изобретения заключается в следующем.

В насадочных аппаратах, работающих в устойчивом режиме эмульгирования, в сравнении с аппаратами, работающими в пленочном режиме взаимодействия фаз, пропускная способность при прочих равных условиях выше в 2 и более раз, что равносильно уменьшению их диаметра более чем в 1,4 раза, что подтверждается несложными математическими подсчетами по известным

20 равенствам. В соответствии с этим в аппаратах с режимом эмульгирования предпочтительным при расходах обрабатываемого газа 1000 — 10000 м /ч является метод внутреннего отвода тепла, при котором входя25 щий газ и в целом турбулизированный газожидкостной поток и теплоноситель движутся по противоточной теплообменной схеме в пределах единой конструкции массотеплообменного аппарата.

30 Обрабатываемый газ, содержащий туманы или пары легколетучих компонентов, подается тангенциально под углом к оси корпуса, равным углу навивки змеевика с межвитковым зазором, равным диаметру

35 узла ввода газа (пара), за счет центробежных сил приобретает восходящее вращательное движение и охлаждается в винтовом канале, образованном наклонными витками змеевика и внутренней поверх40 ностью корпуса аппарата, одновременно являющейся теплообменной поверхностью термостатирующей обечайки, установленной снаружи корпуса на участке от распределителя жидкости до узла ее вывода, при

45 этом теплоноситель (хладагент) поступает через расположенный под опорной решеткой узел его ввода, представляющий собой выведенный за пределы корпуса патрубок змеевика, расположенного внутри корпуса

50 на участке от опорной решетки до узла вывода жидкости и плотно прилегающего к внутренней поверхности корпуса, при этом выход змеевика объединен с полостью термостатирующей обечайки, 55 Расположение узла ввода газа (пара) тангенциально подуглом к оси корпуса, равным углу навивки змеевика с межвитковым зазором, равным диаметру узла ввода газа (пара), позволяет иметь теплообменный винтовой канал для прохода газа (пара), со1720678 храняющий. направление его ввода и ограничивающий срыв образованной центробежной силой поверхностной пленки газового (парового) потока вплоть до его внедрения в насадку, причем обеспечение замкнутости боковой поверхности образованного стенкой корпуса и витками змеевика канала выполнено посредством плотного прилегания змеевика к внутренней поверхности корпуса.

При. выбранном едином диаметре. корпуса аппарата по всей его высоте полезную поверхность теплообмена под опорной решеткой, т.е. площадь траекторного пути движения в этой зоне газа (пара), определяют выбором угла наклона узла ввода газа (пара). При необходимости большой теплообменной поверхности и невозможности наращивания высоты аппарата диаметр корпуса под опорной решеткой выбирают большим диаметра насадочной эоны.

Коэффициент теплоотдачи от газа (пара), движущегося по образованному каналу в виде поверхностной пленки, к стенкам змеевика и.теплообменной поверхности корпуса максимален, при этом противоточно-перекрестная схема теплообмена на участке корпуса под опорной решеткой в целом обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи, что в конечном итоге позволяет до внедрения газа (пара) в слой насадки изменить его температуру, например в процессах улавливания паров легколетучих компонентов, как минимум ниже температуры их конденсации.

Движение газа (пара) по выполненному таким образом теплообменному каналу практически исключает его поверхностное взаимодействие со стекающей из насадки жидкостью и возможного при этом начала экзотермического процесса уже на входе газа (napa) в аппарат.

Выполнение опорной решетки в виде архимедовой спирали с уменьшающимся шагом от центра к периферии способствует перераспределению движущегося по восходящей винтовой линии вдоль стенки корпуса газа (пара) от пристенного к равномерно рассредоточенному по сечению корпуса, а сохранение направления навивки архимедовой спирали и змеевика снижает гидравлические потери при переходе от вращательного движения газа (пара) в поступательное при внедрении его в слой орошаемой насадки.

Таким образом, позволяющее проведение внутреннего отвода тепла выполнение единого теплообменного контура в виде установленного внутри корпуса змеевика и снаружи корпуса термостатирующей обечайки способствует повышению тепломассообменной способности и стабилизации температуры процесса газо(паро)жидкостного взаимодействия в насадке при макси5 мально развитой межфазной поверхности в режиме инверсии фаэ (эмульгирования).

На фиг,1 показан массотеплообменный аппарат, продольный разрез; на фиг.2— опорная решетка, выполненная в виде архи10

55 медовой спирали

Массотеплообменный аппарат состоит из корпуса 1, расположенного в нем на опорной решетке 2 слоя насадки 3, днища 4, крышки 5, распределителя 6 жидкости и узла 7 ее вывода, расположенных над и под слоем насадки 3, узлов ввода 8 и вывода 9 газа (пара), расположенных под и над слоем насадки 3, установленной снаружи корпуса

1 на участке от распределителя 6 жидкости до.узла 7 ее вывода термостатирующей обечайки 10 с узлом 11 вывода теплоносителя, расположенным у верхнего ее торца. Узел

12 ввода теплоносителя расположен под опорной решеткой 2 и представляет собой выведенный за пределы корпуса 1 патрубок

13 входа змеевика 14, установленного с межвитковым зазором внутри корпуса 1 на участке от опорной решетки 2 до узла 7 вывода жидкости и плотно прилегающего к внутренней поверхности корпуса 1, а выход змеевика 14 объединен с полостью 15 термостатирующей обечайки 10. Узел 8 ввода газа (пара) расположен в межвитковом зазоре змеевика 14 и выполнен тангенциально под углом Р к оси корпуса 1, равным углу

Р навивки змеевика 14, при этом межвитковый зазор змеевика 14 равен диаметру узла 8 ввода газа (пара). Опорная решетка 2 . выполнена в виде архимедовой спирали с уменьшающимся шагом от центра к периферии, а направление ее навивки совпадает с направлением навивки змеевика 14.

Аппарат работает следующим образом.

Жидкость подают в аппарат через распределитель 6, а газ (nap) — через узел 8 его ввода.

Газ (пар) подают в количестве, обеспечивающем при заданной нагрузке по жидкости, известных характеристиках насадки 3 и физико-химических свойствах газа (пара) и жидкости как минимум достижение им скорости инверсии фаз, при которой в результате максимального развития межфазной поверхности достигается максимальная степень тепломассообмена.

Теплоноситель вводится через узел 12 его ввода в выведенный за пределы корпуса

1 патрубок 13 змеевика 14, проходя по которому, он участвует в процессе теплообмена

1720678 ф в зоне ввода газа (пара) под опорной решеткой 2. В результате объединения выхода змеевика 14 с полостью 15 термостатирующей обечайки 10 теплоноситель поступает в полость 15 термостатирующей обечайки 10, где уже снаружи омывает теплообменную поверхность корпуса 1, участвуя в процессе теплообмена как в зоне ввода газа (пара) под опорной решеткой 2 так и в зоне межфазного взаимодействия газа (пара) и жидкости в насадке 3.

Обрабатываемый газ (пар), содержащий туманы или пары легколетучих компонентов, подается тангенциально под углом Р к оси корпуса 1, за счет центробежных сил приобретает вращательное движение и охлаждается в канале, образованном витками змеевика 14 и внутренней поверхностью корпуса 1, одновременно являющейся теплообменной поверхностью термостатирующей обечайки 10, Сконденсированная из газа жидкость по стенке корпуса вместе с охлажденным газом продолжает восходящее вращательное движение к опорной решетке 2, выполненной в.виде архимедовой спирали с уменьшающимся шагом от центра к периферии, при этом вращающийся газовый пристенный поток перераспределяется на опорной решетке 2 в поступательный равномерно рассредоточенный по сечению корпуса 1 за счет создания увеличивающегося от периферии к центру свободного сечения опорной решетки 2 и сохранения направления продолжающего инерционное вращение газового потока, но уже на поверхности пластины архимедовой спирали, т.е. от периферии к центру, при этом конденсат сепарируется от газа и вместе со стекающей из насадки 3 жидкостью поступает к узлу 7 ее вывода.

Охлажденный газовый поток внедряется в слой насадки 3, где взаимодействует с орошающей жидкостью в режиме инверсии фаз в виде газожидкостной эмульсии с выделением тепла (или без него в зависимости от обрабатываемых сред), при этом коэффициент теплоотдачи от газожидкостной эмульсии стенке корпуса 1 представлен одной величиной в отличие от режима раздельного движения фаз (пленочного), где требуется в случае внутреннего отвода тепла принимать во внимание коэффициенты теплоотдачи газа и жидкости стенке корпуса

1 отдельно, чем и обусловлено применение для насадочных аппаратов с пленочным режимом преимущественно метода циркуляционного отвода тепла.

Стабилизация и управление режимом эмульгирования в насадке 3 могут осуществляться различными внешними методами, 20

35 Формула изобретения

1. Массотеплообменный аппарат, содержащий корпус, внутри которого на опор40

55 например путем создания гидравлического сопротивления на стоке жидкости, применения метода конкурирующего потока газа или жидкости, наложением пульсационных колебаний на входящие в аппарат потоки газа и/или жидкости, Провзаимодействовавшие в слое насадки 3 газ и жидкость покидают аппарат через узлы 9 и 7 их вывода соответственно.

Отработанный теплоноситель покидает полость 15 термостатирующей обечайки 10 через узел 11 его вывода и направляется в цикл для последующего захолаживания или дальнейшего использования в соответствии с технологическими нуждами.

Таким образом, конструкция предлагаемого аппарата, обеспечивая внутренний отвод тепла, создает условия изотермичности процесса путем термостатирования не только реакционной зоны взаимодействующих в насадке газа и жидкости, но и создает высокоэффективный процесс подготовки обрабатываемого газа перед его взаимодействием в слое насадки, что в конечном итоге повышает тепломассообменную способность аппарата в целом.

Аппарат прост в изготовлении и обслуживании, легко управляется, автоматизируется и рекомендуется к применению на стадии абсорбции окислов азота, улавливания туманов и паров азотной и серной кислот, а также в качестве санитарных скрубберов улавливания паров легковоспламеняющихся жидкостей. ной решетке расположен слой насадки, распределитель жидкости и узел ее вывода, расположенные над и под слоем насадки соответственно, узлы ввода и вывода газа (пара), расположенные под и над слоем насадки соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения тепломассообменной способности путем создания термостатированной зоны по всей высоте аппарата, он снабжен термостатирующей обечайкой с узлами ввода и вывода теплоносителя, установленной снаружи корпуса на участке от распределителя жидкости до узла ее вывода, при этом узел ввода теплоносителя расположен под опорной решеткой и выполнен в виде змеевика, установленного с межвитковым зазором внутри корпуса на участке от опорной решетки до узла вывода жидкости и прилегающего к внутренней поверхности корпуса, а выход змеевика объединен с полостью термостатирующей обечайки, а узел ввода газа (napa) расположен в межвитковом зазоре змеевика и уста1720678

10 новлен тангенциально под углом к оси корпуса, равным углу навивки змеевика, межвитковый зазор которого равен диаметру узла ввода газа (пара), а опорная решетка выполнена в виде архимедовой спирали с уменьшающимся шагом от центра к периферии.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что направление навивки змеевика сов5 падает с направлением навивки архимедовой спирали опорной решетки.

1720б78

40

Составитель М, Бренер

Редактор 0, Юрковецкая Техред M,Моргентал Корректор О. Малец

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

Заказ 908 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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