Тепломассообменный аппарат

(19) НИ К 23В. А. Паклин ГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИСАНИЕ ИЗ РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) (57) 1. ТЕПЛОАППАРАТ, имеющийми устройствами, устрокаждое из которых выпвого сопла с установлпачком, отличающийсяинтенсификации тепломщения его экономичносжидкости и турбчлизац бсорбция газов. М.,- 430. МАССООБМЕННЫЛ орпус с переливныства для ввода газа, олнено в виде газонным над ним колтем, что, с целью ассообмена и повыти путем обновления ии поверхности масШ В 01 Р 53 18 В 01 Г 3 сообмена, каждое устроиство для ввода газа снабжено стержнем, проходящим по оси сопла и волноводом, установленным на колпачке, при этом колпачок установлен на стержне и выполнен с острыми кромками со стороны сопла и образует с ним газоструйный стержневой ультразвуковой излучатель,2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что каждый стержень снабжен упругим элементом, а каждый колпачок - уплотнительным кольцом, размещенным в его верхней части, и установлен с возможностью осевого перемещения относительно сопла с помощью упругого элемента.3. Аппарат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждое устройство для ввода газа снабжено сетчатым элементом, установленным на торце волновода,Изобретение относится к области химической технологии, преимущественно к абсорбционным процессам, и может быть использовано для интенсификации тепломассообменных процессов, например при абсорбции 50, НС 1 и окислов азота в производстве соответственно серной, соляной и азотной кислот, при разделении газовых смесей, очистке сточных вод, очистке нефтяных и коксовых газов от Н,Ь, азотноводородной смеси для синтеза аммиака от СО и СО, очистке стопочных газов от Ю, приготовлении газированных напитков, и газонасыщенных жидкостей.Известен тепломассообменный аппарат, включаюгций корпус с переливными устройствами, устройства для ввода газа, каждое из которых выполнено в виде газового сопла с установленным над ним колпачком 1.Однако известный аппарат характеризуется низкой интенсивностью процесса массообмена на границе всплывающих пузырьков. В связи с этим необходимо увеличить масштабы установки, затраты газа и материалов на проведение процесса с необходимым секундным количеством обрабатываемых веществ. Низкая интенсивность массо- обмена при подаче газа под слой жидкости устройствами объясняется тем, что скорость обновления фаз и турбулизация поверхности массообмена ограничены (скорость обновления фаз составляет порядка 30 см/с, а турбулизация поверхности пузырьков определяется только незначительной циркуляцией внутри свободновсплывающего пузырька со скоростью приближенно равной скорости всплытия 30 см/с. Цель изобретения - интенсификация теп ломассообмена и повыщение экономичности путем обновления жидкости и турбулизации поверхности массообмена.Указанная цель достигается тем, что в известном тепломассообменном аппарате, имеющем корпус с переливными устройствами, устройства для ввода паза, каждое из которых выполнено в виде газового сопла с уста=овленным над ним колпачком, каждое устройство для ввода газа снабжено стержнем, проходящим по оси сопла и волноводом, установленным на колпачке, при этом колпачок установлен на стержне и выполнен с острыми кромками со стороны сопла и образует с ним газоструйный стержневой ультразвуковой излучатель.Кроме того, каждый стержень снабжен упругим элементом, а каждый колпачок - уплотнительным кольцом, размещенным в его верхней части, и установлен с возможностью осевого перемещения относительно сопла с помощью упругого элемента.Каждое устройство для ввода газа снабжено сетчатым элементом, установленным на торце волновода. Упругость элемента выбрана из условия(11 р + 1 о) ух - =- рй - гпщ 25 Ягде д - -упругость элемента, Н/м;8, - расчетное расстояние между кромками сопла и колпачка, м;Ыр - диаметр колпачка, м;1 п - давление газа перед соплом, избыточное над давлением озвучиваемой среды;Ър - глубина колпачка;К - усилие прижатия уплотнения колпачка к кромкан сопла, при от сутствии подачи газа.В предпочтительном варианте устройствана расстоянии, кратном длине волны излучаемого ультразвука от торца колпачка, размещен жестко связанный с ним сетчатый элемент.20 На фиг. 1 показан тепломассообменныйаппарат, вертикальный разрез; на фиг. 2 - узел 1 на фиг. 1.Тепломассообменный аппарат состоит изкорпуса 1, переливных устройств 2 трубопровода 3 подачи жидкости, дренажа 4, барботажных тарелок 5 с устройствами для ввода газа 6, коллектора 7 подачи газа (МНз), трубопровода 8 слива обработанного продукта (аммиачной воды). Устройство 6 для ввода газа содержит фланец 9, корпус 30 10 камеры закручивания, цилиндрическоесопло 11, стержень 12, колпачок (резонатор) 13, уплотнительное кольцо 14 из фторопласта, запрессованное в дно резонатора, экспоненциальный волновод 15 (длина волновода равна 1 длине волны излучаемого на расчетном режиме ультразвука 15 кГц в волноводе); армированный ситчатым элементом 16 (упругими пластинами шириной 2 мм и толщиной 0,5 мм, крут диаметром 100 мм из нержавеющей сетки с размерами 4 О ячеек 0,2 мм), подсоединенный тангенциально к корпусу 1 О камеры закручивания трубопровод 17 подачи газа, упругий элемент (пружина) 18, узел 19 закрепления и застройки упругого элемента 18. Стержень 12 уплотнен во фланец 9 с помощью уплотни тельных . эл ц 14. В нерабочем положениирезонагор 13 усилием пружины 18 прижат к кромкам сопла 11, герметизируя коллектор 7 подачи газа от жидкости.Установка колпачка 13 на стержне 12,проходящем по оси, и его выполнение в виде цилиндрического резонатора с острым кромками с образованием газоструйного стержневого излучателя ультразвука, позволяет преобразовать энергию истекающего через сопло газа в энергию ультразвуковых 55 волн, сильно турбулизировать границу раздела фаз в пузырьках, повысить в пять раз интенсивность массообмена за счет акустических пульсаций давления и формы пузырьков, акустических кумулятивных течений и других ультразвуковых эффектов. Повышение интенсивности массообмена соответственно повысит в пять раз производительность аппарата при тех габаритах и расходе газа.Установка резонатора 13 с помощью упругого элемента 18 с возможностью перемещения относительно сопла, размещение врезонаторе 13 на диаметре кромок соплауплотнительных колец 14 и выбор упругости1 10 в соответствии с приведенным выражением позволяет при выключении подачи газа --- р = 0 прижать колпачок к кромкам УЮри=сопла с силой Гв (например, Р = 0,01 - 0,5 м) и этим герметично отсечь газовый коллектор от жидкости, исключить провал жидкости и последующие затраты на удаление жидкости из газовых полостей; в процессе работы автоматически обеспечивать перемещение резонатора при изменении давления подачи газа Р с целью обеспечения 20 оптимального для этого давления расстояния между соплом и резонатором, что позволяет автоматически поддерживать заданные частичные параметры излучателя (оптимальная для процессов массообмена частота 5 - 20 кГц).Размещение ситчатого элемента 16 на расстоянии, кратном длине волны излучаемого ультразвука от верхнего торца резонатора 13, жесткая связь ситчатого элемента 16 с резонатором 13, например посредством зо металлического стержня 12, позволяет эффективно с использованием, резонансных эффектов передать ультразвуковые колебания на ситчатый элемент 16, через который проходят пузырьки обработанного на первом этапе ультразвуковой абсорбции газа. З 5Ультразвуковые колебания ситчатого элемента 16 позволяют отрывать от него пузырьки газа с диаметром, меньшим диаметра свободного роста, увеличивая этим поверхность массообмена, а также вторично 4 турбулизовать акустическими сечениями бгрботажную зону, что повышает интенсивность теплом ассообмена и соответственно эффективность использования газа в аппарате.Предлагаемое устройство позволяет соз давать крупномасштабные тепломассообменные аппараты повышенной (в 2 - 5 раз) производительности, а также различные универсальные устройства для интенсивного тепломассообмена между газом и жидкостью в трубопроводах-емкостях для хранения, бытовых сифонах и др.Аппарат работает следующим образом.После (одновременно) подачи жидкости в аппарат включают подачу газа в устройство 6 для подачи газа под давлением 5 кгс/см . Газ, попадая в корпус 10 камеры закручивания за счет тангенциального расположения патрубка 17, быстро выравнивает поле скоростей, стабилизируется под давлением и истекает через сопло 11 с перепадом давлений больше критического.Осесимметричная струя расширяющегося газа (бочка) периферийными слоями взаимодействует с кромками резонатора 13, генерируя при этом ультразвук с частотой 15 кГц.При этом между соплом 11 и резонатором 13 образуется осесимметричная выпуклая поверхность раздела фаз газ-жидкость, пульсирующая в поле ультразвука с образованием капиллярных волн, дроблением, интенсивной турбулентностью. Пузырьки газа, образующиеся в зоне озвучивания при разрушении границы раздела фаз, из-за капиллярных волн и дробления пульсируют в поле ультразвука, при этом давление и температура в них сильно меняются, Все это приводит к значительной интенсификации тепломассообмена между вводимым газом и жидкостью.Выйдя из зоны интенсивного озвучивания (расстояние 5 - Одр от излучателя), пузырьки всплывают к ситчатому элементу 16, который резонансными ультразвуковыми колебаниями осуществляет дробление пузырьков, проходящих через него, и повторное извучивание.Таким образом, предлагаемый аппарат может найти широкое применение ваппаратах химической технологии, авиационной технике (при приготовлении газонасыщенных топлив), в бытовых сифонах (при установке резонатора на конце газовой трубки в нижней части сифона), при приготовлении кислородных коктейлей в медицине, газированных напитков в пищевой промышленности и т.д.Использование аппарата повысит и нтенсивность тепломассообменных процессов между газом и жидкостью, производительность и экономичность тепломассообменных аппаратов.ль Г. Урусо ерес д. 4/5 ктная 1130лиал едактор,/Л. Зайцаказ 3986/5В Составит Техред И. В Тираж 659 ИПИ Государственн по делам изобретен Москва, Ж - 35,ПП Патент, г. Уго ий ау жго омитета Соткрытийкая наб.,д, ул. Про ректор С. ЧернписноеСР