Тепло-массообменный аппарат

Союз Советскик Социалистических Респубпик(45) Дата опубликования описания 070778 Государственный комитетСовета Министров СССРпо делам изобретенийи открытий(72) Авторы изобретения А.А. жирнов, А.л. каплан и с.т. морозов Тольяттинский политехнический институт(54) ТЕПЛО-МАССООБМЕНН(1 И АППАРАТ Изобретение относится к аппаратам для проведения процессов тепло-массообмена в различных отраслях народного хозяйства, например в химичес" кой, нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности, перспективных тепловых двигателях и др.Известен аппарат, в котором установлены контактные трубчатые и щелевые элементы вихревого типа. Контактирование фаэ происходит в восходящем вихревом потоке в пределах трубчатого элемента 1),Известно устройство, использующее эффект закрученного газо-жидкостного потока для проведения процессов тепло-массообмена ( 2 .Известен тепло-массообменный аппарат, содержащий в качестве устройства межфаэового взаимодействия вертикальный цилиндр с резервуарами в верх. ней и нижней его частях для подвода и отвода жидкости. Штуцера тангенциального входа газа в устройство межфаэового взаимодействия имеют в боковых стенках щелевидные выступы с отогнутыми кромками, образующими сопла, Поступая в эавихритель, газовый поток инжектирует жидкость иэ шелевых вырезов в стенках цилиндров и далее двухфазная смесь компонентов движется вдоль стенок цилиндра, в котором и происходит собственно тепло-массообменный процесс, в нижний резервуар, где осуществляется сепарация жидкости(3 .Однако выполнение устройства межфазового взаимодействия в виде цилиндра, где иэ-за сепарирующего воздействия центробежных сил на жидкость как более тяжелую фракцию межфаэовое взаимодействие компонентов в основном происходит по некоторой цилиндрической поверхности, приводит к тому, что тепло-массообмен носит поверхностный характер. Межфаэовое взаимодействие в объеме осуществляется только в щели-инжекторе при смещении и в непосредственной близости от нее, причем величина этой зоны зависит от диспергирующей способности щели-инжектора (чем меньше капельки жидкости, тем большее время они пробудут в потоке до контакта со стенкой, а значит в зоне интенсивного тепло-массообмена). Однако улучшение диспергирующей способности щели-инжектора неизбежно связано с существенным увеличением гидросопротивления в канале, что, в свою очередь, влечет за собой необходимость установки болев высоконапорного оборудования и повышенный расход электро энергии, усложняет технологическое обслуживание, повышает эксплуатационные расходы, и в конечном итоге, сии жает эффективность аппарата в целом.Целью изобретения является повышение интенсивности тепло-массообмена в двухфазном потоке путем перехода от понерхностного процесса к объемному и, как следствие, увеличение 1 О общей эффективности аппарата.Указанная цель достигается тем, что в известном тепло-массообменном аппарате, содержащем резервуар со штуцерами ввода компонентов рабоче го процесса, тангенциальные сопла- , инжекторы, устройство межфаэового взаимодействия и приемный резервуар с отводными штуцерами, устройство межфазового взаимодействия выполне но в ниде вихревой камеры, межторцо.вое пространство которой определяется формулой:о.25где Ир - начальное межторцоное расстояние на периферии камеры;р в . радиус рабочей эоны вихревой камеры;- текущий радиус вихревой камеры;- текущее межторцовое расстояние,На фиг. 1 изображен. предлагаемый тепло-массообменный аппарат, общий нид; на Фиг. 2 - разрез А-А ь.а 35 Фиг. 1.Тепло-массообменный аппарат состоит нз резервуара 1 с штуцером ввода начальной жидкости, вихревой камеры, образованной двумя торцовыми 40стенками 2 и периферийным кольцом 3,имеющим тангенциальные щелевидные прорези с отогнутыми или с профилированжыми кромками, которые вместесо штуцерами 4 тангенциального под" ,ц вода газа образуют тангенциальныесопла-инжекторы подачи двухфазнойсмеси во внутреннюю полость камерывыходного патрубка 5, приемного резервуара б, снабженного штуцерами отвода газа и жидкости в верхней и нижнейего частях.Аппарат работает следующим образом.Начальная жидкость нагнетается в ре-. НЕРВУ".Р 1, откуда инжектируется но внутреннюю полость вихревой камерыгазом, нагнетаемым через штуцер 4,тангенциально расположенные по периферийному кольцу Э вихревой камеры, гдепроисходит интенсивный процесс тепломассообмена; Время межфазового взаимо-бОдействия определяется радиальной .составляющей скорости двухфазного потокаи расстоянием по радиусу от периФерийноГО кольца Э до Выходного патрубка 5.Радиальная составляющая скорости, в 65 свою очередь, однозначно определяется объемным расходом смеси и величиной межторцового расстояния, Далее поток через выходной патрубок 5 поступает в резервуар б, где происходит сепарация жидкой фазы от газа. Процесс сепарации ичтенсифицируется дополнительно наличием поля центробежных сил, продолжающих действовать на капельки жидкости, После выхода иэ верхней камеры газ отводится через штуцер, расположенный в верхнеР части приемного резервуара б, а жидкость - че:рез штуцер, расположенный в нижней .части его. В вихревой камере потокпомимо вращательного движения с определенной циркуляцией, задаваемой тан"генциальным входом, совершает также и радиальное перемещение от периферии к центру, обеспечивая заданный непрерывный расход смеси через камеру, На частицы жидкости помимо центробежной силы, вызываемой вращением потока и заставляющей частицу двигаться к периферии камеры, действует и аэродинамическая сила, возникающая вследствие обтекания частицы газоми действующая в направлении, прртивоположном действию центробежной силы.Наличие полей центрббежных и аэродинамических сил в полости между торцовыми стенками вихревой камеры обеспечивает интенсивное диспергирование жидкой Фазы, ибо, как показывают расчеты и эксперименты, прове" денные на модельных камерах, на выходе из вихревой камеры наблюдается поток дисперсной смеси с субмикрон.- ными размерами конденсированной (жидкой) Фазы, Процесс тепло-массо- обмена в вихревой камере происходит между несущим газом и мелкодисперсной жидкостью, равномерно распределенной по всему объему камеры, МежФаэовое взаимодействие.происходит по гораздо большей площади, чем это наблюдается в аппарате, принятом за прототип, где основное взаимодействие происходит по цилиндрической поверхности, Кроме того, исследования показывают, что течение в вихревой камере характеризуется весьма значительным уровнем турбулентных .пульса" ций, которые оказывают дополнительное интенсифицирующее воздействие на процесс тепло-массообмена.Профилирование межторцового прост- . ранства вихревой камеры по Формуле И - Ь 0 ф .приводит к постоянной радиальной скорости потокаф асокЫ) во внутренней. полости камер ю, что создает наиболее благоприятные условия для межфазового взаимодействия и следовательнопозволяет проводить процессы .тепло-массообмена с наибольщей интенсивностью.из сказанного следует, что проведение процессов в вихревой камере характеризуется значительно более высокой интенсивностью тепло-массообмена по сравнению с процессами, проводимыми в аппарате, принятом эа прототипЭтот фактор при прочих равных условиях позволяет уменьшить габаритыаппарата, что снижает его металлоемкость,и значительно повышает технологическую производительность.Кроме того, в этом аппарате нетребуется достигать интенсивного смешения и диспергирования жидкой фазыв тангенциальном сопле-инжекторе,так кай интенсивного смешения и диспергирования достигают в потокевнутри камеры. Это приводит к уменьшению гидросопротивления аппаратапо сравнению с аппаратом, принятомза прототип, и влечет за собой установку менее высоконапарного оборудования и экономию электроэнергии,упрощает технологическое обслуживание,Формула изобретенияТепло-массообменный аппарат, содержащий резервуар со штуцерами ввода компонентов рабочего процесса, тан 20267 6геяциальные сопла-инжекторы, устройство межфазового взаимодействия иприемный резервуар, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повыше"ния интенсивности тепло-массообменав двухфазном потоке и увеличенияэффективности аппарата, устройствомежфазового взаимодействия выполненов виде вихревой камеры, межторцовоепространство которой определяетсяформулой..= фо -о10, о Ффгденачальное межтсрцовое расстояние на периферии камеры;р - РадиУс Рабочей зоны вихревой камеры;15 - текущий радиус вихревой камеры 1й - текущее межторцовое расстояние.Источники информации, принятые во 20 внимание при экспертизег1. Корнилов А.ф., Николаев Н.А.Принципы конструирования массообменных аппаратов вихревого типа, М.,НИИТЗКим, 1974, .Ю. 10.2. Авторское свидетельство СССРФ 210085, кл. В 01 3 3/32, 1966.3. Авторское свидетельство СССР9 162110, кл, В .01 3 53/18, 1962.620267 пв 6 Цзар оставите ехред Э Гриценко едактор О. Кузнецов П Патент, г. Ужгород, ул, Проектная,Филиа Заказ 4448/6 ЦНИИПИ Государственно по делам и 113035 Москва Ж Тираж 964 о комитета Сове обретений и отк 5 Раушская наб А, Сондоржик КорректорПодписноета Министров СССрытийс д