Вихревой скруббер

Предлагаемое изобретение относится к тепломассообменной аппаратуре химической, пищевой, металлургической и других отраслей промышленности и предназначено для мокрой очистки газов от твердых, жидких и газообразных примесей, а также охлаждения и конденсации паров, проведения химических реакций в системе газ - жидкость - твердое. Вихревой скруббер содержит корпус 1, состоящий из цилиндроконического конфузора 2, горловины 3 и диффузора 4, установленное в корпусе соосно с ним сопло 5, соединенное с патрубком 11 ввода пылегазового потока, и имеющий подводящие патрубки 7 Г-образной формы, выполненные с возможностью поворота вокруг своей оси, и газоотделительную емкость, снабженную патрубками отвода очищенного газа и жидкости с уловленными частицами 8, причем подводящие патрубки 7 подключены к системе подачи жидкого поглотителя, а сопло 5 имеет возможность осевого перемещения относительно корпуса. В патрубок ввода пылегазового потока встроен датчик 12 концентрации пыли, соединенный с контроллером 13, подключенным к исполнительному механизму 14 регулирующего клапана 15, установленного между системой подачи жидкого поглотителя и подводящими патрубками 7. Патрубок отвода жидкости 9 с уловленными частицами выполнен тангенциально к газоотделительной емкости 8. Очищенный газ выводится из аппарата через патрубок 10. Сопло 5 герметизировано в корпусе 1 при помощи уплотнения 6. Предлагаемое изобретение позволяет повысить степень очистки газа, обеспечивает возможность проведения быстропротекающих реакций в системах жидкость - твердое и газ - жидкость - твердое, позволяет сократить длину аппарата при заданной производительности, дает возможность очистки сильно запыленных потоков без их предварительной очистки в других аппаратах и исключения из обвязки скруббера каплеуловителей, позволяет регулировать силовое (центробежное) поле в скруббере в широких пределах в зависимости от параметров пылегазового потока. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к тепломассообменной аппаратуре химической, пищевой, металлургической и других отраслей промышленности и предназначено для мокрой очистки газов от твердых, жидких и газообразных примесей, а также охлаждения и конденсации паров, проведения химических реакций в системе газ - жидкость - твердое.

Известен скруббер Вентури, состоящий из конфузора, горловины, диффузора и сопла (Лукин В.Д., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. - Л.: Химия, 1980. - с.66-69). В конфузор подают запыленный газ, через сопло всасывается жидкость, служащая для смачивания частиц, образования конгломератов и последующего отделения их от газа. Скруббер Вентури используется в промышленности при скорости газа в горловине трубы от 30 до 200 м/с и удельном орошении (отношении расхода воды к расходу газа) в диапазоне (0,1÷6)·10^-3 м³/м³ газа. Скрубберы Вентури весьма эффективны при улавливании частиц с размером более 10 мкм. Однако они недостаточно хорошо улавливают более мелкие частицы. Кроме того, вылетающие из скруббера Вентури капли жидкости с частицами пыли необходимо направлять в каплеуловители, иногда двухступенчатые. Это приводит к усложнению установки и увеличению ее металлоемкости.

Известен скруббер Вентури (МПК⁴ В 01 D 47/10, а.с. СССР № 1233919, Б.И. № 20, 1986 г.), состоящий из конфузора, горловины, диффузора, подводящего патрубка и узла орошения, снабженное дополнительным узлом орошения, установленным в подводящем патрубке, размещенном тангенциально камере и выполненным в виде конфузора. Известный скруббер позволяет достичь довольно высокой степени очистки, особенно для частиц с размером крупнее 10 мкм. Частицы меньших размеров могут уноситься турбулентными вихрями, образующимися в потоке газа, и эффективность их улавливания в известном скруббере недостаточно высока.

Известен скруббер (МПК⁵ В 01 D 47/10, пат. РФ №2010590), состоящий из вертикальной трубы Вентури, подающего и отводящего патрубков, эжекторной вставки, установленной в конфузоре трубы Вентури, каплеуловителя, расположенного на диффузоре трубы Вентури и установленного соосно ему внутри корпуса скруббера Вентури, и завихрителя, расположенного в кольцевом зазоре между трубой Вентури в нижней ее части и внутренней стенкой каплеуловителя, эжекторная вставка выполнена в виде нисходящей спиральной ленты, образующей конус, к вершине которого жестко закреплен шток, соединенный резьбой с крышкой установленного над конфузором трубы Вентури дополнительного бака абсорбента (жидкого поглотителя пыли), которым снабжен скруббер, причем спиральная лента в основании конуса жестко прикреплена к нижней наружной стенке дополнительного бака абсорбента, а каплеуловитель выполнен в виде усеченного конуса с меньшим основанием в нижней части трубы Вентури и углом раскрытия конуса, равным 7-8°, при этом отводящий патрубок в верхней части каплеуловителя и подающий патрубок трубы Вентури выполнены тангенциальными, а скруббер дополнительно снабжен переливной трубой, соединяющей дополнительный бак абсорбента с нижней частью кармана, образованного наружной стенкой усеченного конуса каплеуловителя и внутренней стенкой корпуса скруббера.

Известный скруббер обладает довольно высокой эффективностью улавливания твердых частиц, что достигается за счет возникающей в горловине трубы Вентури центробежной силы, обусловленной тангенциальным вводом пылегазового потока. Кроме того, завихритель в нижней части способствует отделению капель жидкости от газа.

Однако известный скруббер обладает следующими недостатками:

1) в нем использован тангенциальный ввод пылегазового потока, обладающего недостаточно высокой кинетической энергией, и поэтому эффективность силового воздействия на твердые частицы недостаточно высока;

2) капли, образующиеся в скруббере, при высокой запыленности пылегазового потока, не способны поглотить большую часть частичек пыли;

3) в случае ввода потока с высокой концентрацией твердых частиц эффективность очистки известного скруббера резко снизится вследствие недостаточного количества орошаемой жидкости, частицы будут скапливаться в нижней части скруббера, засоряя его и переливную трубу, соединяющую нижнюю часть кармана с дополнительным баком абсорбента.

Наиболее близким к заявляемому является скруббер (МПК⁶ В 01 D 47/10, пат. РФ № 2139128), содержащий трубу Вентури, снабженную горловиной, диффузором с вытеснителем, конфузором, соединенным с патрубком подвода запыленного газа, узел орошения водой, один или несколько патрубков с соплами и пульсаторами для подачи газа или воздуха, причем патрубки с соплами смонтированы внутри патрубка подвода запыленного газа на входе в конфузор, причем каждый из патрубков выполнен Г-образным, установлен в направляющей опоре и снабжен узлом фиксации, а выходное отверстие сопла направлено в сторону движения запыленного газа, допуская возможным его перемещение в горизонтальной плоскости, а также поворот оси сопла относительно оси трубы на некоторый угол.

Известному скрубберу присущи следующие недостатки:

1) в нем реализован тангенциальный ввод пылегазового потока, обладающего невысокой кинетической энергией, вследствие чего эффективность силового воздействия на твердые частицы, а значит, и степень очистки газа, недостаточно высоки;

2) капли, образующиеся в скруббере, при высокой запыленности не способны эффективно поглотить пыль из концентрированного пылегазового потока; мелкие частицы могут уноситься турбулентными вихрями, образующимися в потоке газа;

3) скруббер не может эффективно использоваться в качестве аппарата для проведения химических реакций в системе газ - жидкость - твердое в широком диапазоне режимных параметров, поскольку в его конструкции не предусмотрен ввод большого количества жидкости и значительной концентрации твердых частиц в пылегазовом потоке;

4) в случае ввода потока с высокой концентрацией твердых частиц, особенно мелких, эффективность очистки известного скруббера резко снизится вследствие недостаточного расхода орошаемой жидкости.

Кроме того, эффективность работы известного скруббера сильно зависит от расхода пылегазового потока: при снижении расхода центробежные силы, пропорциональные квадрату расхода, резко уменьшаются, и даже достаточно крупные частицы могут пройти через скруббер. Этот недостаток связан с отсутствием в известном скруббере регулировки силового (центробежного) поля в существенной мере и расхода жидкости в зависимости от параметров пылегазового потока (его расхода и концентрации частиц).

Задачами предлагаемого изобретения являются повышение эффективности работы скруббера и снижение капитальных и эксплуатационных затрат, что достигается за счет:

1) повышения степени очистки газа за счет использования большой кинетической энергии вращающегося потока жидкости;

2) обеспечения возможности проведения быстропротекающих реакций в системах жидкость - твердое и газ - жидкость - твердое или тех стадий этих реакций, скорость которых лимитируется диффузией;

3) сокращения длины аппарата при заданной производительности;

4) возможности очистки сильно запыленных потоков без их предварительной очистки в других аппаратах;

5) возможности исключения из обвязки скруббера каплеуловителей;

6) обеспечения возможности регулировки силового (центробежного) поля в скруббере в широких пределах в зависимости от параметров пылегазового потока.

Поставленные задачи достигаются тем, что вихревой скруббер включает корпус в виде трубы Вентури, состоящий из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, установленное в корпусе соосно с ним сопло, снабженное патрубком ввода пылегазового потока, и имеющий подводящие патрубки Г-образной формы, выполненные с возможностью поворота вокруг своей оси, и газоотделительную емкость, снабженную патрубками отвода очищенного газа и жидкости с уловленными частицами, причем подводящие патрубки подключены к системе подачи жидкого поглотителя, а сопло выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса, в патрубок ввода пылегазового потока встроен датчик концентрации пыли, соединенный с контроллером, подключенным к исполнительному механизму регулирующего клапана, установленного между системой подачи жидкого поглотителя и подводящими патрубками при этом патрубок отвода жидкости с уловленными частицами выполнен тангенциально к газоотделительной емкости.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

На фиг.1 представлена схема вихревого скруббера, на фиг.2 - поперечный разрез скруббера в плоскости А-А, на фиг.3 - вариант исполнения подводящего патрубка, выполненного с возможностью его поворота вокруг своей оси.

Вихревой скруббер (фиг.1) содержит корпус 1 в виде трубы Вентури, состоящий из цилиндроконического конфузора 2, горловины 3 и диффузора 4, установленное в корпусе 1 соосно с ним сопло 5, герметизированное посредством уплотнения 6. Корпус снабжен подводящими патрубками 7 Г-образной формы (на фиг.1 показан случай одного патрубка 7), выполненными с возможностью поворота вокруг своей оси. Вихревой скруббер содержит также газоотделительную емкость 8, снабженную патрубком 9 отвода жидкости с уловленными частицами и патрубком 10 отвода очищенного газа. Сопло 5 соединено с патрубком 11 ввода пылегазового потока. Подводящие патрубки 7 подключены к системе подачи жидкого поглотителя (на фиг.1 не показана), а сопло 5 имеет возможность осевого перемещения относительно корпуса 1 благодаря наличию уплотнения 6 (например, типа сальникового). В патрубок 11 ввода пылегазового потока встроен датчик 12 концентрации пыли, соединенный с контроллером 13, подключенным к исполнительному механизму 14 регулирующего клапана 15, установленного между системой подачи жидкого поглотителя и подводящими патрубками 7. Патрубок 9 отвода жидкости с уловленными частицами выполнен тангенциально к газоотделительной емкости 8.

Подводящие патрубки 7, оканчивающиеся выходными коленами 16 (фиг.2), могут быть выполнены поворотными, например, по схеме, показанной на фиг.3. Фланец патрубка 7 зажимается между фланцем 17, жестко соединенным с корпусом 1 вихревого скруббера и фланцем 18, соединенным с системой подачи жидкого поглотителя (крепежные элементы - болты, гайки и шайбы - условно не показаны). Между фланцами 17, 18 и фланцем патрубка 7 установлены антифрикционные кольца 19, выполненные, например, из фторопласта или капролона; одновременно кольца 19 способствуют повышению герметичности соединения. Основными герметизирующими элементами являются кольца 20, выполненные из эластичного материала, например из резины. Во фланце патрубка 7 предусмотрены глухие отверстия 21, причем их количество предпочтительно на единицу больше количества болтовых отверстий во фланцах 17 и 18. Отверстия 21 предназначены для облегчения поворота патрубка 7 на необходимый угол путем установки в них рычагов в виде металлического прутка и их поворота вокруг оси патрубка 7, показанной на фиг.3. Таким путем достигается изменение направления выходного колена 16 патрубка 7.

Количество патрубков 7, соединенных параллельно, определяется размерами скруббера и требованиями к равномерности распределения скорости потока жидкости, истекающего из патрубков 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В патрубки 7 через регулирующий клапан 15 из системы подачи жидкого поглотителя под давлением подается жидкий поглотитель (например, вода). Попав в колена 16 патрубков 7, расположенные под углом к оси корпуса 1, жидкий поглотитель имеет большую скорость, направленную под углом к оси корпуса 1 скруббера. Благодаря этому жидкий поглотитель, поступающий через патрубки 7, приобретает вращательное движение вокруг оси корпуса 1. По мере движения по конфузору 2 к горловине 3 окружная составляющая скорости жидкого поглотителя увеличивается. Кроме того, за счет сужающейся формы конфузора 2 в горловине 3 достигает максимума и осевая составляющая скорости. Таким образом, в зоне входа в горловину 3 и осевая, и окружная составляющие скорости жидкости достигают максимальных значений. В соответствии с законом сохранения энергии давление в этой зоне принимает минимальное значение, то есть на конце сопла 5 возникает большое разрежение, степень которого регулируется его осевым перемещением относительно корпуса 1. В результате этого вблизи выхода из сопла 5 складываются условия (высокая скорость вращательного и осевого движения, значительное разрежение), способствующие передаче импульса и момента импульса от жидкого поглотителя к пылегазовому потоку, подаваемому через патрубок 11. Пылегазовый поток приобретает мощный импульс от вращающейся жидкости и интенсивно закручивается в горловине 5, служащей камерой смешения, где образуется трехфазная система газ - жидкость - твердое. Под действием больших центробежных сил, возникающих во вращающемся потоке трехфазной системы, в диффузоре 4 происходит первичная сепарация фаз: частицы наиболее тяжелой - твердой - фазы отбрасываются к стенке диффузора 4, наиболее легкая газовая фаза образует вращающийся конусовидный шнур в центральной части диффузора 4, а слой жидкости располагается между поверхностями вращающегося шнура и стенкой диффузора 4. По мере движения вдоль диффузора происходит расширение потока, в результате чего снижается и скорость вращения потоков, и момент количества движения. При выходе трехфазной системы из диффузора 4 в газоотделительную емкость 8 происходит вторичная сепарация, заключающаяся в отделении газа от жидкости, содержащей уловленные частицы. Газ в виде пузырей барботируется через слой жидкости в газоотделительной емкости 8, где может происходить его доочистка от твердых частиц. Очищенный газ выводится из газоотделительной емкости 8 через патрубок 10, который расположен в верхней части газоотделительной емкости 8, по возможности ближе к оси корпуса 1. Жидкость с уловленными частицами отводится через патрубок 9, который может быть выполнен тангенциально к газоотделительной емкости 8. Благодаря тангенциальному соединению патрубка 9 часть кинетической энергии вращательного движения, которой обладает вращающийся поток, выходящий из диффузора 4, преобразуется в потенциальную энергию давления. Жидкость с уловленными частицами из патрубка 9 может далее подаваться на очистку от уловленных частиц (например, на фильтре), и затем снова возвращаться в скруббер через патрубки 7 при помощи насоса системы подачи жидкого поглотителя (на фиг.1 не показан).

Регулирование эффективности работы предлагаемого скруббера осуществляется следующим образом. Установленный в патрубке 11 датчик 12 подает на контроллер 13 информацию о концентрации пыли в подаваемом через патрубок 11 пылегазовом потоке. Контроллер 13 управляет исполнительным механизмом 14 регулирующего клапана 15, установленного между системой подачи жидкого поглотителя и подводящими патрубками 7 следующим образом. При увеличении концентрации пыли сопротивление регулирующего клапана 15 снижается и расход жидкого поглотителя возрастает, в результате чего увеличиваются скорость вращательного движения жидкости и центробежная сила, а значит, и интенсивность воздействия на твердые частицы; кроме того, улучшаются условия смачивания большого количества пыли. При снижении концентрации пыли сопротивление регулирующего клапана 15 возрастает, а расход жидкого поглотителя снижается, в результате чего скорость вращательного движения жидкости и центробежная сила также уменьшаются; это позволяет снизить неоправданные потери энергии и жидкого поглотителя.

Таким образом, абсолютное значение скорости жидкости, вытекающей из колен 16 патрубков 7, регулируется клапаном 15, а направление вектора этой скорости изменяется поворотом патрубков 7 относительно оси корпуса 1. Поворот патрубков 7 осуществляется путем установки в отверстия 21 рычагов, например, в виде металлического прутка круглого сечения, с приложением к этим рычагам вращающего момента относительно осей патрубков 7. При повороте патрубков 7 направление закрутки рабочей жидкости, создаваемое выходными коленами 16 патрубков 7, может меняться в пределах ±180°. При необходимости управление поворотом патрубков 7 может также производиться автоматически при помощи исполнительного механизма, подключенного к контроллеру 13.

Пример конкретного выполнения 1. Вихревой скруббер выполнен из стекла по схеме, изображенной на фиг.1, с одним подводящим патрубком 7, в который насосом нагнетается вода под давлением 2 кгс/см² (изб.) со скоростью 5 м/с. Поток воздуха, содержащий частицы глинозема с максимальным размером 10 мкм (пылегазовый поток), подается через патрубок 11. Наблюдения через прозрачную стенку скруббера показали, что на расстоянии 3-5 мм от обреза сопла 5 частицы глинозема под действием центробежной силы отбрасываются к стенке скруббера; в воздухе, выходящем из газоотделительной емкости 8, частицы пыли не обнаружены.

Таким образом, в предлагаемом скруббере удается эффективно очистить газ от пыли размером менее 10 мкм за счет использования большой кинетической энергии вращающегося потока жидкости.

Пример конкретного выполнения 2. Вихревой скруббер выполнен из стекла по схеме, изображенной на фиг.1, с одним подводящим патрубком 7, в который насосом нагнетается вода под давлением 2 кгс/см² (изб.) со скоростью 5 м/с. Поток воздуха, содержащий частицы извести с максимальным размером 2 мм (пылегазовый поток), подается через патрубок 11. Наблюдения через прозрачную стенку скруббера показали, что на расстоянии 3-5 мм от обреза сопла 5 частицы негашеной извести под действием центробежной силы отбрасываются к стенке скруббера и быстро растворяются (процесс растворения сопровождается химической реакцией и лимитируется диффузией); частицы мельче 1 мм успевают раствориться еще в корпусе 1 скруббера, остальные - в газоотделительной емкости 8. В воздухе, выходящем из газоотделительной емкости 8, частицы извести не обнаружены.

Таким образом, в предлагаемом скруббере возможно проведение быстропротекающих реакций в системах жидкость - твердое и газ - жидкость - твердое или тех стадий этих реакций, скорость которых лимитируется диффузией.

Сокращение длины аппарата при заданной производительности возможно благодаря использованию свойств закрученного потока: в диффузоре снижается риск отрыва потока от стенок вследствие действия центробежных сил, поэтому угол раскрытия диффузора может быть увеличен с 8-10° до 30-60°, что позволяет существенно уменьшить длину диффузора, что особенно важно при стесненных условиях работы.

В предлагаемом скруббере удельное количество жидкости, приходящее на 1 м³ запыленного газа, существенно выше, чем в известных скрубберах, поэтому в нем возможна очистка сильно запыленных потоков без их предварительной очистки в других аппаратах. Это позволяет снизить капитальные затраты на оборудование и эксплуатационные затраты на его обслуживание.

Благодаря тому что жидкий поглотитель в скруббер подается не в виде капель, как в известных скрубберах, а в виде сплошного потока, отсутствует необходимость установки на его выходе каплеуловителей. Капли, которые могут образовываться в газоотделительной емкости 8, под действием центробежной силы отбрасываются к стенке газоотделительной емкости 8. Это также позволяет снизить капитальные затраты.

Обеспечение возможности регулировки центробежного поля в скруббере в широких пределах (в зависимости от параметров пылегазового потока) реализовано за счет двух параметров - расхода жидкости, изменяющегося при изменении сопротивления регулирующего клапана 15, и направления скорости жидкости, вытекающей из колен 16 патрубков 7. Такое регулирование осуществляется благодаря системе автоматического управления, состоящей из датчика 12 концентрации пыли, соединенного с контроллером 13, подключенным к исполнительному механизму 14 регулирующего клапана 15. Контроллер 13 может быть также подключен к исполнительным механизмам, управляющим углом поворота патрубков 7.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить более эффективную работу вихревого скруббера и снизить капитальные и эксплуатационные затраты.

1. Вихревой скруббер, включающий корпус в виде трубы Вентури, состоящий из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, установленное в корпусе соосно с ним сопло, снабженное патрубком ввода пылегазового потока, и имеющий подводящие патрубки Г-образной формы, выполненные с возможностью поворота вокруг своей оси, и газоотделительную емкость, снабженную патрубками отвода очищенного газа и жидкости с уловленными частицами, отличающийся тем, что подводящие патрубки подключены к системе подачи жидкого поглотителя, а сопло выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса.

2. Вихревой скруббер по п.1, отличающийся тем, что в патрубок ввода пылегазового потока встроен датчик концентрации пыли, соединенный с контроллером, подключенным к исполнительному механизму регулирующего клапана, установленного между системой подачи жидкого поглотителя и подводящими патрубками.

3. Вихревой скруббер по п.1, отличающийся тем, что патрубок отвода жидкости с уловленными частицами выполнен тангенциально к газоотделительной емкости.