СПОСОБ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗА И ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к области химической технологии, теплотехники, точнее к способам контактного взаимодействия сред в системах газ - жидкость, газ - жидкость - твердые частицы и к устройствам для осуществления тепломассообменных процессов в химической, пищевой, металлургической, газовой, газоперерабатывающей, нефтяной и других отраслях промышленности.

Изобретение предназначено для проведения охлаждения и конденсации паров, химических реакций, мокрой очистки газов от твердых, жидких и газообразных примесей; абсорбции, ректификации и других технологических процессов.

Предшествующий уровень техники

Из документа SU 1149475 известен способ контактного взаимодействия газа и жидкости и устройство для его осуществления. Известный способ включает закручивание газового потока, подачу в его осевую зону жидкости, формирование ее в пленку на поверхности тела вращения с последующим диспергированием жидкости закрученным газовым потоком и разделением на жидкую и газовую фазы.

Недостатками известного способа и реализующего его устройства являются низкая степень диспергирования жидкости, недостаточная площадь контакта сред из-за большого диаметра капель жидкости. При снижении расхода газового потока диаметр капель жидкости еще более увеличивается, что снижает эффективность тепломассообмена между газом и жидкостью.

Известен способ контактного взаимодействия газа, жидкости и твердых частиц и устройство для его осуществления (вихревой скруббер Вентури), описанные в книге Лукин В.Д. и др. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. - Л.: Химия, 1980, с.66-69. В конфузор тангенциально подают запыленный газ, который всасывает из осевого патрубка жидкость для смачивания твердых частиц, образования конгломератов и последующего отделения их от газа. Процесс очистки осуществляют в вихревом винтовом кольцевом потоке газа. Скруббер Вентури эффективен при улавливании частиц с размером более 10 мкм. При меньшем размере частиц эффективность снижается из-за низкой степени диспергирования жидкости. Для повышения степени очистки применяют двухступенчатую очистку, что усложняет процесс.

Известен способ контактного взаимодействия газа, жидкости и твердых частиц и устройство для его осуществления по патенту RU 2261139. Согласно известному способу в вихревой скруббер тангенциально подают не газ, как в скруббере Вентури, а жидкий поглотитель, который закручивается в корпусе устройства в виде вращающегося по винтовой линии водяного «шнура». Пылегазовый поток подают по оси скруббера в зону пониженного давления. Сопло для подачи жидкости выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса устройства. Тангенциальная подача жидкости выполнена с возможностью изменения направления закрутки жидкости и ее расхода в зависимости от параметров пылегазового потока, что реализуется с помощью системы автоматики регулирования. Известный способ позволяет повысить эффективность массообменного процесса, однако обладает следующими недостатками:

- недостаточно большая площадь контакта пылегазовой смеси и жидкого поглотителя, так как жидкость концентрируется преимущественно по периферии устройства в виде винтового «шнура» и недостаточно активно диспергируется потоком газа из-за малой кинетической энергии газового потока;

- низкая степень турбулизации потоков газа и жидкости, так как в способе использована прямоточная система их движения, не способствующая образованию вихрей и активизации массообменного процесса;

- повышенное давление в системе очистки пылегазового потока, так как его на конечной стадии продувают через емкость с водой;

- необходимость использования дополнительного оборудования для автоматического регулирования процесса.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ контакта газа и жидкости и устройство для его осуществления по патенту RU 2192912. Данный способ включает в себя следующие этапы:

- тангенциальную подачу газа через большое количество сопел,

- закручивание газового потока,

- образование кольцевого вихревого потока с обеспечением его движения по винтовой линии,

- подачу жидкости в зону пониженного давления по оси потока,

- диспергирование жидкости потоком газа и формирование ее в пленку,

- осуществление массообмена между газом и жидкостью в вихревом потоке.

Особенностями данного способа являются прямоточный контакт газа и жидкости; накапливание жидкости на стенках устройства и формирование вращающегося цилиндрического слоя, через который продувают газовые струи, после чего жидкость отбирают и дополнительно диспергируют газовым потоком. Формирование цилиндрического вращающегося слоя жидкости проводят с центробежным ускорением, превышающим ускорение свободного падения до 340 раз.

Устройство для осуществления способа содержит корпус, завихритель газового потока, тангенциально установленные патрубки подвода газа в корпус, патрубок подачи жидкости, переливную перегородку для формирования слоя жидкости на стенках корпуса, емкость с жидкостью и патрубок вывода отработанных фаз. Для прижатия газового потока к поверхности слоя жидкости на стенках корпуса устройство снабжено обтекателем, установленным по оси устройства.

Известное решение позволяет повысить эффективность массообмена, то есть контакта газа с жидкостью, а также расширить диапазон эффективной работы устройства.

Однако известный способ контакта газа и жидкости и устройство для его осуществления имеют следующие недостатки:

- низкая степень диспергирования жидкости, поскольку жидкость в массообменном процессе участвует в виде слоя на стенках устройства;

- неразвитая площадь контакта газа и жидкости из-за формирования жидкости в виде слоя;

- незначительная турбулизация потока газа из-за отсутствия противоточного движения;

- незначительное время контакта реагирующих фаз в связи с низкой турбулизацией потоков газа и жидкости и прямоточным их движением;

- повышенное давления потока газа, так как его продувают через слой жидкости в завихрителе;

- неравномерное распределение потоков газа и жидкости по поперечному сечению устройства и нерациональное использование рабочего объема в связи с тем, что взаимодействующие фазы концентрируются преимущественно по периферии устройства, а осевое пространство не участвует в массообменном процессе.

В результате известное решение не позволяет обеспечить высокую эффективность массообменного процесса.

Изобретение направлено на улучшение контактного взаимодействия газа и жидкости и связанную с этим интенсификацию массообменного процесса между фазами и повышение его эффективности за счет увеличения степени диспергирования жидкости, площади контакта газа и жидкости, турбулизации потока газа, увеличения времени контакта, равномерного распределения газа и жидкости по сечению устройства и рационального использования его рабочего объема.

Раскрытие изобретения

Поставленная задача решена в способе контактного взаимодействия газа и жидкости, включающем тангенциальную подачу газа в цилиндрический корпус, закручивание газового потока вокруг оси корпуса с образованием винтового вихревого потока газа по периферии упомянутого цилиндрического корпуса, подачу жидкости в вихревой поток газа по оси корпуса с обеспечением ее диспергирования потоком газа и тепломассообмена между газом и жидкостью за счет их динамического взаимодействия. Согласно изобретению винтовой вихревой поток газа в концевой части цилиндрического корпуса ускоряют путем сужения упомянутого корпуса, разворачивают поток газа к оси корпуса, смешивают с подаваемой жидкостью и направляют газожидкостный поток в центральную область винтового вихревого потока в противоположном ему направлении.

Поставленная задача решена в также в устройстве для осуществления контактного взаимодействия газа и жидкости, включающем цилиндрический корпус, тангенциально установленный патрубок подвода газа, завихритель газа, патрубок подачи жидкости, расположенный в нижней части корпуса по его оси, и патрубок вывода отработанных фаз, расположенный в верхней части корпуса. Согласно изобретению патрубок подвода газа расположен в верхней части корпуса, а под корпусом расположена емкость с жидкостью, связанная по жидкой среде с патрубком подачи жидкости, при этом корпус дополнительно снабжен отражателем, расположенным в нижней части корпуса и обеспечивающим поворот потока воздуха при его движении от периферии к центру.

Описанный выше способ и реализующее его устройство по сравнению с известными решениями позволяют значительно улучшить условия контактного взаимодействия газа и жидкости, интенсифицировать тепломассообменные процессы и увеличить их скорость за счет следующих факторов:

- максимально развитой площади контакта газа и жидкости вследствие тонкого диспергирования жидкости;

- высокой степени диспергирования жидкости из-за высокой степени взаимной кинетической турбулизации слоев газового потока в продольном и поперечном сечениях по всему объему рабочего пространства;

- значительного повышения времени контакта газа и жидкости вследствие высокой турбулизации газового потока, образования как встречного продольного, так и поперечного движения газа и жидкости и увеличения времени пребывания сред в корпусе устройства.

Указанные факторы позволяют повысить производительность устройства за счет равномерного распределения реагирующих фаз по сечению корпуса устройства, рационального использования всего рабочего объема и активизации тепломассобменных процессов.

Кроме того, снижаются и энергетические затраты, поскольку процессы подачи жидкости в газовый поток, ее диспергирование, смешивание фаз и турбулизация потока газа осуществляются за счет кинетической энергии газа без использования дополнительных энергозатрат.

Предпочтительно поверхность отражателя представляет собой внутреннюю поверхность самопересекающегося тора, усеченного экваториальной плоскостью, а точка торовой поверхности отражателя, лежащая на ее оси вращения, предпочтительно расположена ниже экваториальной плоскости на расстоянии 0,75÷0,90 радиуса образующей окружности торовой поверхности.

Особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего подробного описания варианта его осуществления со ссылкой на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показано устройство для реализации способа контактного взаимодействия газа и жидкости, вид в продольном разрезе;

на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1;

на фиг.3 представлена геометрическая модель торовой поверхности отражателя;

на фиг.4 изображена схема газодинамики в рабочем объеме устройства для осуществления способа контактного взаимодействия газа и жидкости, вид в продольном сечении;

на фиг.5 - сечение по В-В на фиг.4;

на фиг.6 - сечение по С-С на фиг.4

Вариант осуществления изобретения

Способ контактного взаимодействия газа и жидкости в соответствии с изобретением реализуется в устройстве, показанном на фиг.1 и 2. Это устройство содержит цилиндрический корпус 1, расположенные в его верхней части завихритель 2 (например, улиткообразный) и тангенциально установленный патрубок 3 подвода газа в корпус 1, патрубок 4 подачи жидкости, смонтированный в нижней части корпуса в зоне пониженного давления газового потока по его оси, емкость 5, снабженную патрубком 6 для наполнения емкости, и патрубок 7 для обеспечения постоянного уровня жидкости.

В нижней части корпуса 1 смонтирована разделительная перегородка 8. На ней установлен отражатель 9, поверхность которого представляет собой внутреннюю поверхность 10 самопересекающегося тора (фиг.3), то есть тора, у которого расстояние OO₁ (или ОО₂) между осью Х-Х вращения и центром образующей окружности меньше радиуса R_от этой образующей окружности. Поверхность 10 усечена экваториальной плоскостью 10′. Диаметр d_o отражателя, диаметр d_к корпуса и диаметр d_тп торовой поверхности равны между собой. Точка 10′′ торовой поверхности отражателя, лежащая на ее оси Х-Х вращения, расположена ниже экваториальной плоскости на расстоянии 0,75÷0,90 радиуса R_от образующей окружности торовой поверхности. Для вывода отработанных фаз из устройства в верхней его части имеются патрубок 11, разделитель газа и жидкости 12 и сливной патрубок 13. Для удаления остаточной жидкости из отражателя имеются патрубки 14. В показанном на чертежах варианте осуществления изобретения, согласно которому корпус расположен, по существу, вертикально, патрубки 14 расположены в нижней части поверхности 10 отражателя 9 обтекателя, однако они могут быть расположены в других местах, в частности в боковой поверхности корпуса при его расположении, отличном от вертикального.

Необходимо отметить, что термины «верхний» и «нижний» в данном описании использованы по отношению к конструкции, схематично изображенной на фиг.1 и 4, то есть являются условными, и, по существу, означают, что одни элементы (завихритель 2, патрубок 3 подвода газа, патрубок 11 вывода отработанных фаз) находятся у одного основания цилиндрического корпуса, а другие (разделительная перегородка 8, емкость 5 для жидкости и патрубки 6 и 7) - у другого.

Способ контактного взаимодействия газа и жидкости в соответствии с изобретением осуществляется следующим образом (фиг.4÷6). В корпус 1 устройства тангенциально подают газ, который закручивается завихрителем 2 с образованием винтового вихревого потока, концентрирующегося вдоль стенок корпуса и движущегося с высокой скоростью по винтовой линии L в виде винтового «шнура». Одновременно с этим газовый поток в винтовом «шнуре» вращается вокруг оси по винтовой линии F. Далее вихревой кольцевой поток газа поступает в нижнюю часть корпуса устройства, где посредством торовой поверхности 10 отражателя 9 ускоряется за счет сужения корпуса, отклоняется от первоначального направления, совершает разворот к оси корпуса, смешивается с подаваемой жидкостью и поступает в центральную область винтового вихревого потока в противоположном ему направлении.

Скорость потока и его кинетическая энергия при этом значительно увеличиваются за счет уменьшения его диаметра.

В результате поворота потока газа в корпусе образуется многослойный (четырехслойный) вихревой поток, в котором наблюдается противоточное движение слоев как в поперечном, так и в продольном сечениях. По продольным и поперечным границам Q слоев за счет встречного движения и высокой скорости потоков происходит интенсивная взаимная, кинетическая турбулизация сначала поверхностных участков, а затем и внутренних зон слоев, что в конечном итоге приводит к турбулизации газа по всему объему V потока и корпуса. По оси S корпуса в результате высокой скорости потока образуется зона пониженного давления, за счет чего в поток эжектируется жидкость из патрубка 4. Количество поступающей в газовый поток жидкости автоматически изменяется с изменением скорости потока газа, то есть с изменением расхода газа.

Поступающая в поток газа жидкость активно диспергируется и тонко распыляется турбулизированным газовым потоком. Частицы жидкости равномерно распределяются по всему объему потока, смешиваются с вихрями потока и реагируют с газом, при этом обеспечивается максимально высокий коэффициент тепло- или массопередачи.

Приведенные выше соотношения между конструктивными параметрами устройства для осуществления способа контактного взаимодействия газа и жидкости являются оптимальными. При соблюдении соотношений достигаются высокие показатели тепломассообменного процесса.

Так, при расположении точки 10′′ торовой поверхности на величину менее 0,75 радиуса R_от образующей окружности торовой поверхности 10 в центральной осевой части потока образуется зона разрежения, в которой восходящие слои газа не пересекаются и не контактируют друг с другом, что снижает возможность турбулизации за счет кинетического взаимодействия и уменьшает эффективность массообменного процесса. При этом наблюдается также избыточное количество жидкости, захватываемый потоком из патрубка 4.

При расположении точки 10′′ торовой поверхности 10 на величину более 0,90 радиуса R_от образующей окружности торовой поверхности 10 потоки газа пересекаются друг с другом, разрушаются и нарушают поверхностный контакт в центральной и верхней части устройства, что снижает кинетическую турбулизацию газового потока и эффективность массобмена. Кроме того, при этом ухудшаются условия эжектирования жидкости в поток газа и количество жидкости становится недостаточным для проведения процесса массообмена.