Результат интеллектуальной деятельности: ВИХРЕВАЯ КАМЕРА ДЛЯ КОНТАКТА ГАЗА И ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к технике прямого контакта газа и жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности для проведения химико-технологических и энергетических процессов обмена, а также при проектировании устройств мокрой очистки газов.

В технике контакта газа и жидкости все большее применение получают вихревые контактные камеры с вращающимся дисперсным слоем [Гольдштик М.А., Ли T.B., Смирнов Н.П., Ханин В.М. Скорость вращения газожидкостного слоя в вихревой камере. - В сб. Процессы переноса в дисперсных средах, ИТФ СО АН, Новосибирск, 1983 г., с. 23-45]. Вход по газу в такие камеры распределен по их боковой поверхности посредством устройства закрутки газа, а выход по газу расположен внутри него. Это устройство может состоять из одного или нескольких соосных направляющих аппаратов с тангенциальными щелями, цилиндрических или выполненных в виде усеченного конуса, разнесенных по высоте и прилегающих друг к другу своими торцами. Выход из камеры по газу может быть направленным по оси камеры, например, посредством патрубков, примыкающих к крышке и/или днищу камеру, либо направленным к оси, например, служить входом в другую вихревую камеру, вложенную в данную. Вводимая в камеру жидкость вовлекается газом в вихревое движение, отбрасывается центробежными силами к внутренней поверхности устройства закрутки газа и диспергируется газовыми струями. Благодаря распределенному вводу газа уровень сил трения, действующих на газожидкостный поток со стороны боковой поверхности камеры, существенно ниже, чем при сосредоточенном вводе [Гольдштик М.А., Ли Т.В., Смирнов Н.П., Ханин В.М. Скорость вращения газожидкостного слоя в вихревой камере. - В сб. Процессы переноса в дисперсных средах, ИТФ СО АН, Новосибирск, 1983 г., с. 23-29]. Это приводит к возможности удержания в камере центробежными силами плотного вращающегося дисперсного слоя, прилегающего изнутри к устройству закрутки газа. Такие слои формируются в широком диапазоне геометрических и режимных параметров [патент РФ №2084269, 1993 г. ] и характеризуются чрезвычайно высокой скоростью обменных процессов.

Ввод жидкости в камеру может осуществляться вместе с потоком газа или с помощью специальных средств. Вихревая камера [патент СССР №1805908, 1991 г.] - прототип для первого изобретения включает в себя направляющий аппарат с тангенциальными щелями для ввода и закрутки газа и прилегающее к нему закручивающее устройство ввода жидкости с тангенциальными щелями, вход которых в камеру ориентирован по направлению закрутки газа. Вихревая камера вложена в другую, вспомогательную вихревую камеру с прилегающими друг к другу направляющим аппаратом ввода газа и закручивающим устройством ввода жидкости. Обе вихревые камеры образуют две последовательные по газу ступени контакта газа и жидкости. Ввод жидкости осуществляется либо только закручивающим устройством вспомогательной камеры - тогда жидкость в основную вихревую камеру вводится вместе с потоком газа, либо с помощью обоих устройств ввода жидкости. В обоих случаях реализуется прямоточная схема контакта - жидкость движется вместе с газом из одной ступени в другую и выводится вместе с ним из камеры. Тем самым существенно сужена область применимости вихревых камер, поскольку для ряда процессов, в том числе теплообменных и абсорбционных, эффективный обмен реализуется, как правило, лишь в многоступенчатых устройствах с противоточной схемой контакта, т.е. в которых газ и жидкость движутся со ступени на ступень навстречу друг другу [Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976 г., с. 235-280].

Известна также вихревая камера для контакта жидкости и газа [патент №1813472, 1993 г.], которая содержит штурец для ввода жидкости, устройство для входа газа, а патрубок для выхода по газу расположен внутри этого устройства.

Все известные противоточные устройства прямого контакта газа и жидкости реализованы за счет разнесения ступеней по высоте и размещения между ними гидрозатворов [Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976 г., с. 450-478]. Перелив жидкости со ступени на ступень осуществляется благодаря гидростатическому давлению столба жидкости в гидрозатворах, превышающему сопротивление ступеней по газу. Чем выше сопротивление ступеней, тем больше должно быть расстояние между ними. Поскольку сопротивление вихревых камер относительно велико, противоточные устройства контакта с вихревыми камерами не нашли еще должного применения и не описаны в литературе. Недостатки известных противоточных устройств контакта газа и жидкости связаны с использованием гидростатического механизма для организации движения жидкости из узлов с меньшим давлением газа в узлы с большим давлением.

Необходимо отметить, что в устройстве [патент СССР №1805908, 1991 г.] небольшая часть жидкости, поступающей во вспомогательную вихревую камеру, выводится из нее в область ввода газа, однако это не влияет на направление движения жидкости в целом и на схему контакта. Конструкция предназначена для предотвращения отложений примесей из газа на входе в основную вихревую камеру. Отложения существенно влияют на эксплуатационные качества вихревых камер, приводя к постепенному увеличению их сопротивления во время работы, а в ряде случаев - к их полной неработоспособности. Вспомогательная камера устройства [патент СССР №1805908, 1991 г.] установлена для орошения входа по газу в основную камеру и тем самым смыва с него отложений. При этом естественно возникает та же задача в отношении входа во вспомогательную камеру. Для ее решения направляющий аппарат этой камеры сконструирован таким образом, чтобы часть поступающей жидкости проваливалась через его щели наружу. Это достигается за счет существенного снижения скорости ввода газа, что приводит к низкой эффективности контакта во вспомогательной камере.

Тем самым поставленная задача решается за счет усложнения конструкции и увеличения габаритов устройства контакта без заметного повышения эффективности контакта для устройства в целом. Другим недостатком является ограничение по концентрации примесей в потоке газа - количество жидкости, которая проваливается через щели вспомогательного направляющего аппарата, может оказаться недостаточным для смыва с него осажденных примесей.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности, а также уменьшения размеров устройств контакта газа и жидкости с вихревыми контактными камерами за счет организации вывода жидкости из внутреннего пространства закручивающего устройства в область ввода газа. Также изобретение позволяет организовать противоточную схему контакта для устройств с вложенными друг в друга вихревыми камерами.

Идея изобретения состоит в следующем. Динамический напор газожидкостного потока, образующего вращающийся дисперсный слой, пропорционален его плотности, которая определяется произведением плотности жидкости на ее объемное содержание, достигающее 30-50%. Тем самым плотность среды в слое на два-три порядка превышает плотность газа. Это означает принципиальную возможность существенного повышения давления жидкости на выходе из камеры по отношению к давлению газа в ней. Для реализации этой возможности нужно трансформировать энергию вращения слоя в динамический напор жидкости на ее выходе. С этой целью могут быть использованы известные в технике раскручивающие устройства, преобразующие вращательное движение среды в поступательное. Специфика данной задачи состоит в том, что раскручивающее устройство должно еще обеспечить сепарацию жидкости от газа. Кроме того, нужно обеспечить незначительные потери напора в процессе сепарации и вывода жидкости. Обоим этим требованиям отвечает размещение раскручивающего устройства на периферии камеры, в непосредственной близости от слоя. Говоря конструктивно, раскручивающее устройство должно прилегать к устройству закрутки газа или быть встроенным в него, например, размещенным между этим устройством и крышкой (днищем) вихревой камеры или между направляющими аппаратами, составляющими устройство закрутки газа.

Избыточное давление жидкости на выходе из камеры может быть использовано для ее вывода непосредственно в область входа газа в вихревую камеру. Действительно, сопротивление входа в камеру, т.е. перепад давления на устройстве закрутки газа, определяется произведением плотности газа на квадрат скорости его ввода. Эта скорость заметно превышает скорость газожидкостного потока внутри камеры. Однако благодаря эффекту оттеснения слоя от внутренней поверхности устройства закрутки газа (между ними образуется тонкая газовая прослойка) эта разница не столь велика, как при сосредоточенном вводе газа в камеру. Можно сказать, что квадрат скорости ввода газа максимум на один порядок превышает квадрат скорости вращения слоя [Гольдштик М.А., Ли Т.В., Смирнов Н.П., Ханин В.М. Скорость вращения газожидкостного слоя в вихревой камере. - В сб. Процессы переноса в дисперсных средах, ИТФ СО АН, Новосибирск, 1983 г., с. 23-45]. Тем самым динамический напор потока в слое и соответственно давление жидкости на выходе, образованном раскручивающим устройством, могут существенно превышать сопротивление входа в камеру по газу.

Таким образом, для достижения требуемого результата вихревая камера для контакта газа и жидкости со средствами ввода жидкости, вход в которую по газу распределен по ее боковой поверхности и образован устройством закрутки газа, а выход по газу расположен внутри этого устройства, согласно изобретению включает раскручивающее устройство, прилегающие к устройству закрутки газа или встроенное в него и образующее выход по жидкости из вихревой камеры.

Давление в вихревой камере падает по направлению к ее оси. Поэтому максимальное давление жидкости на выходе может быть достигнуто при размещении раскручивающего устройства вблизи максимального внутреннего периметра вихревой камеры, например, при его установке с примыканием к наибольшему из торцов направляющих аппаратов, составляющих устройство закрутки газа, или между такими торцами. Такое размещение способствует также сепарации жидкости от газа и ее движению в слое по направлению к раскручивающему устройству, что приводит к повышению пропускной способности камеры по жидкости. С другой стороны, для уменьшения потерь напора на входе жидкости в раскручивающее устройство его располагают по возможности близко к слою, т.е. к внутренней поверхности устройства закрутки газа. Для удовлетворения обоих сформулированных требований раскручивающее устройство устанавливают таким образом, чтобы его внутренний радиус был близок к максимальному радиусу внутренней поверхности устройства закрутки газа.

Для минимизации потерь напора в самом раскручивающем устройстве вывод жидкости организуют с помощью одной или нескольких тангенциальных щелей. Отметим, что по самому определению раскручивающего устройства выход этих щелей из камеры ориентирован по направлению потока в ней, т.е. по направлению закрутки газа. В этом состоит основное конструктивное отличие от закручивающих устройств ввода жидкости с тангенциальными щелями [патент СССР №1805908, 1991 г.], у которых по направлению закрутки газа ориентирован вход щелей в камеру. Еще одно преимущество щелевых раскручивающих устройств по сравнению с другими состоит в том, что они открыты в область ввода газа. Это упрощает, например, конструкцию противоточного устройства контакта с вложенными вихревыми камерами.

Простейший вариант такого раскручивающего устройства представляет одно- или многозаходная улитка, образованная одной или несколькими спиральными (раскрывающимися по направлению потока) обечайками с перекрывающими друг друга по радиусу концами. Области их перекрытия и образуют тангенциальные щели для вывода жидкости из камеры.

Для организации противоточной схемы контакта используют устройство с двумя и более вложенными друг в друга вихревыми камерами, включающими раскручивающие устройства, при этом выход по жидкости из каждой камеры соединяют с областью ввода газа в нее, а ввод жидкости извне устройства контакта осуществляют только в наименьшую из камер. Для увеличения скорости вращения слоя и тем самым эффективности контакта ввод жидкости осуществляют тангенциально, по направлению закрутки газа, что особенно важно при массовых расходах жидкости, сопоставимых с массовым расходом газа. При использовании раскручивающих устройств с тангенциальными щелями выход из камеры по жидкости одновременно является входом по жидкости в камеру, охватывающую данную. Поэтому для согласования направлений ввода газа и жидкости направление закрутки газа во всех вложенных друг в друга вихревых камерах выбирают одинаковым.

Вывод жидкости из вихревой камеры в область ввода газа можно также использовать для эффективного орошения входа в камеру по газу частью жидкости, возвращаемой в камеру потоком газа. Это предотвращает отложение на входе примесей из газа и обеспечивает тем самым работоспособность вихревой камеры. Необходимое для этого количество жидкости зависит от концентрации примесей и их физических свойств (растворимости, смачиваемости). Конструктивно оно задается элементами, устанавливаемыми на выходе из камеры по жидкости и регулирующими равномерность ее вывода по периметру раскручивающего устройства и скорость по направлению к устройству ввода газа в камеру.

Для обеспечения вывода из камеры всей жидкости, поступающей в нее, и, с другой стороны, предотвращения прохода газа через раскручивающее устройство навстречу жидкости, его проходное сечение S′ выбирают в соответствии с объемным расходом жидкости Q′ через камеру и скоростью ее вывода v′:

Эту скорость можно оценить по скорости вращения слоя vc в предположении о том, что в раскручивающем устройстве теряется не более 50% от динамического напора потока в слое. Это означает:

где ε - объемное содержание жидкости в слое. Скорость вращения слоя определяется по известным формулам и зависит от многих режимных и геометрических параметров вихревой камеры. Однако в широком диапазоне параметров, охватывающем большинство практических приложений вихревых камер, существенной является зависимость лишь от объемного расхода газа Q, проходного сечения устройства закрутки газа S и отношения плотности газа ρ к плотности жидкости ρ′. В этом диапазоне можно воспользоваться приближенной формулой

где s - относительное проходное сечение устройства закрутки газа. Из приведенных соотношений следует оценка скорости вывода жидкости

и тем самым приближенная формула для расчета проходного сечения раскручивающего устройства

С учетом того, что плотность жидкости на три порядка превышает плотность газа, а характерные значения s составляют 0.1÷0.3, из этой формулы, например, следует, что при близких массовых расходах газа и жидкости, когда Q′~10-3Q, проходное сечение раскручивающего устройства для вывода жидкости нужно выбирать по порядку величины в сто раз меньшим проходного сечения соответствующего устройства закрутки газа.

Предложенные механизмы движения жидкости из областей с меньшим давлением газа в области с большим давлением основаны на динамических свойствах вращающегося дисперсного слоя и тем самым принципиально отличаются от применяемого в известных устройствах контакта гидростатического механизма. Скорость вращения слоя пропорциональна скорости ввода газа [Гольдштик М.А., Ли Т.В., Смирнов Н.П., Ханин В.М. Скорость вращения газожидкостного слоя в вихревой камере. - В сб. Процессы переноса в дисперсных средах, ИТФ СО АН, 1983 г., с. 23-45], так что динамический напор в слое пропорционален квадрату расхода газа, которым определяются все перепады давления в устройстве, в том числе сопротивление входа в вихревую камеру по газу. Тем самым, если конструктивные параметры устройства выбраны удачно и указанные механизмы реализуются при каком-нибудь расходе газа, то они будут действовать и при любом большем. При вводе жидкости в камеру по направлению закрутки газа скорость вращения слоя возрастает также и с увеличением расхода жидкости. Это означает, что предложенные механизмы действуют без ограничений сверху на режимные параметры - расходы газа и жидкости.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1, показана в вертикальном и горизонтальном разрезах вихревая камера контакта газа и жидкости. Вихревая камера включает устройство закрутки газа (направляющий аппарат) 5, установленное между днищем 8 и крышкой 4 камеры и образующее вход по газу в камеру, осевой патрубок вывода газа 9, устройство ввода жидкости 1 и раскручивающее устройство вывода жидкости 7. Направляющий аппарат 5 выполнен цилиндрическим и состоит из кольцевого фланца 6 и установленных между ним и крышкой камеры 4 лопаток 10, образующих тангенциальные щели для ввода газа в камеру. Раскручивающее устройство 7 состоит из четырех спиральных обечаек 12 с перекрывающими друг друга по радиусу концами, раскрытых по направлению щелей направляющего аппарата 5, установленных между фланцем 6 и днищем 8 с примыканием к ним, и образующих тангенциальные щели для вывода жидкости из камеры, при этом внутренний радиус установки обечаек 12 равен внутреннему радиусу фланца 6, т.е. радиусу внутренней поверхности направляющего аппарата 5. Устройство ввода жидкости 1 состоит из четырех спиральных обечаек 11, установленных между фланцем 2 и крышкой 4 с примыканием к ним и образующих тангенциальные щели для ввода жидкости в камеру, с перекрывающими друг друга по радиусу концами, раскрытых по направлению щелей направляющего аппарата 5, при этом внешний радиус установки обечаек 11 равен внешнему радиусу фланца 2. На крышке 4 установлен штуцер 3 для подачи воды в вихревую камеру.

Устройство работает следующим образом. Благодаря избыточному давлению газа в области, внешней по отношению к направляющему аппарату 5, газ проходит через него, при этом формируются распределенные по периметру тангенциальные струи и течения вихревой структуры внутри камеры. Жидкость вводится в камеру посредством штуцера 3 и тангенциальных щелей устройства 1 и центробежными силами отбрасывается к внутренней поверхности аппарата 5, где диспергируется струями газа на капли, формирующие вращающийся дисперсный слой. После контакта с жидкостью в слое газ выводится из камеры через патрубок 9. Жидкость в слое движется вдоль направляющего аппарата 5, оттесняется к обечайкам 12 раскручивающего устройства 7, при движении вдоль них, под действием центробежных сил, освобождается от газа и благодаря энергии вращения слоя, трансформированной в динамический напор поступательного движения устройством 7, выводится из камеры. Благодаря выводу жидкости из камеры навстречу потоку газа выход камеры по газу разгружен от жидкости.

На фиг.2 показана в вертикальном и горизонтальном разрезах двухступенчатая вихревая камера с противоточной схемой контакта газа и жидкости. Вихревая камера включает два соосных, вложенных друг в друга, устройства закрутки газа (направляющих аппарата) 14 и 2, установленных между днищем 13 и крышкой 1 камеры и образующих вход по газу в первую и вторую ступени контакта соответственно, осевой патрубок вывода газа 12, устройство ввода жидкости 5 и раскручивающие устройства вывода жидкости 7 и 10. Направляющий аппарат 14 выполнен в виде усеченного, раскрытого вверх конуса и состоит из кольцевого фланца 15 и установленных между ним и днищем камеры 13 лопаток 17, образующих тангенциальные щели для ввода газа в камеру. Направляющий аппарат 2 выполнен в виде усеченного, раскрытого вниз конуса и состоит из кольцевого фланца 9 и установленных между ним и крышкой 1 тангенциальных лопаток 18, ориентированных так же, как лопатки 17, и образующих щели для ввода газа во вторую ступень контакта. Раскручивающее устройство 10 состоит из четырех спиральных обечаек 20 с перекрывающими друг друга по радиусу концами, раскрытых по направлению щелей направляющих аппаратов 2 и 14, установленных между фланцем 9 и днищем 13 с примыканием к ним и образующих тангенциальные щели для вывода жидкости из второй по газу ступени контакта и ввода жидкости в первую ступень, при этом внутренний радиус установки обечаек 20 равен внутреннему радиусу фланца 9, т.е. максимальному радиусу внутренней поверхности аппарата 2. Аналогичное по конструкции раскручивающее устройство 7 состоит из четырех обечаек 16, образующих щели для вывода жидкости из первой ступени контакта. Снаружи раскручивающего устройства 7 установлен отбойный козырек 8, регулирующий движение жидкости на выходе из камеры. Устройство ввода жидкости 5 состоит из четырех спиральных обечаек 19, установленных между фланцем 4 и крышкой 1 с примыканием к ним и образующих тангенциальные щели для ввода жидкости во вторую по газу ступень контакта, с перекрывающими друг друга по радиусу концами, раскрытых по направлению щелей направляющих аппаратов 2 и 14, при этом внешний радиус установки обечаек 19 равен внешнему радиусу фланца 4. На крышке 1 установлен штуцер 3 для подачи воды в вихревую камеру. На вертикальном разрезе также показаны формирующиеся в процессе работы вращающиеся дисперсные слои 11 и 6. На горизонтальном разрезе A-A слои 11 и 6 не показаны.

Устройство работает следующим образом. Благодаря избыточному давлению газа в области, внешней по отношению к направляющему аппарату 14, газ проходит последовательно через направляющие аппараты 14 и 2, формирующие распределенные по периметру тангенциальные струи и течения вихревой структуры в областях между ними и внутри аппарата 2. Жидкость вводится в камеру посредством штуцера 3 и тангенциальных щелей устройства 5 и центробежными силами отбрасывается к внутренней поверхности аппарата 2, где диспергируется струями газа на капли, формирующие вращающийся дисперсный слой 11. После контакта с жидкостью в слое 11 газ выводится из камеры через патрубок 12. Под действием центробежных сил жидкость в слое 11 движется вдоль направляющего аппарата 2 по направлению к его большему торцу, оттесняется к обечайкам 20 раскручивающего устройства 10, при движении вдоль них освобождается от газа и благодаря энергии вращения слоя 11, трансформированной в динамический напор поступательного движения устройством 10, выводится через его тангенциальные щели в область между направляющими аппаратами 2 и 14. Здесь аналогичным образом формируется вращающийся дисперсный слой 6, в котором осуществляется первая по газу стадия контакта (в слое 11 соответственно - вторая). После контакта с газом в слое 6 жидкость через тангенциальные щели раскручивающего устройства 7 по описанному выше механизму выводится наружу направляющего аппарата 14. Здесь она отбрасывается к отбойному козырьку 8, распределяется при движении вдоль него по периметру и сбрасывается в кольцевую щель между ним и фланцем 15. Часть жидкости покидает устройство, а другая захватывается потоком газа и, попутно орошая лопатки направляющего аппарата 14, вновь вводится в камеру, что препятствует отложению на них примесей из газа. Доля рециркулирующей таким образом жидкости регулируется высотой и радиусом установки козырька 8, которые определяют равномерность распределения жидкости по периметру раскручивающего устройства 7 и ее скорость по направлению к аппарату 14.

В отличие от вихревой камеры [патент СССР №1805908, 1991 г.], для которой является обязательной подача жидкости в пространство между направляющими аппаратами, жидкость вводится только во внутреннюю область аппарата 2 и движется противотоком по отношению к потоку газа. Вывод жидкости в область ввода газа достигается не в ущерб эффективности контакта в первой ступени и с возможностью регулирования в широких пределах доли жидкости, поступающей на орошение входа в камеру по газу. Благодаря выводу жидкости из второй (последней) ступени навстречу потоку газа, выход камеры по газу разгружен от жидкости.