Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к тепломассообменным, сорбционным и экстракционным процессам, в химической, гидрометаллургической, фармацевтической и в других смежных отраслях промышленности. Изобретение в частности относится к контактированию в поле сил тяжести смеси веществ в разном агрегатном состоянии - газа, жидкости и твердого дисперсного вещества, предназначенного для тепломассообмена между ее компонентами-фазами или их сепарации преимущественно в противоточном процессе.

Уровень техники

Известны массообменные аппараты с регулярной насадкой, совмещающие капельный и пленочный режимы взаимодействия газа и жидкости. В объеме этих аппаратов жидкость движется, периодически сменяя режим течения с пленочного на капельный и обратно. За счет этого увеличивается поверхность взаимодействия газа и жидкости и, соответственно, повышается интенсивность массообменных процессов. Капельный режим взаимодействия, как правило, достигается за счет стекания капель с различных выступов насадки или за счет сдувания жидкости потоком газа со специально организованных частей насадки.

Из уровня техники известна насадка для контактирования газа и жидкости (SU 1204240 A3, МПК B01 D 53/20, опубл. 15.01.1986), содержащая собранные в пакеты и расположенные друг над другом ячейки, образованные отдельными стенками, нижние концы которых выполнены отогнутыми навстречу друг другу. В каждой ячейке нижние концы стенок установлены с перекрытием друг друга с образованием сопла, а верхний конец одной стенки, расположенный по ходу движения фаз, выполнен отогнутым внутрь ячейки. Кроме того, ячейки опираются одна на другую или отдалены по высоте на расстояние, равное не более трехкратной высоты ячейки.

Недостатком этой насадки является низкая интенсивность перемешивания фаз в ячейке.

Из уровня технички также известна пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных аппаратов ( RU 2205063 С1 , МПК B01J 19/32, опубл. 27.05.2003), состоящая из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, при этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе в ячейку за счет загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель. На выходе газового потока из ячейки окончания обеих стенок также выполнены загнутыми внутрь ячейки, перекрывая фронтальную щель и образуя второй завихритель. Кроме того, поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта регулярной шероховатостью и/или перфорацией любой формы.

Недостатком этой насадки является низкая интенсивность перемешивания фаз в ячейке.

Из уровня техники также известна пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных колонных аппаратов ( RU 2416461 С1 , МПК B01 J 19/32, опубликовано 20.04.201 1), состоящая из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, при этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе и на выходе ячейки за счет загнутых внутрь окончаний, образующих завихрители на входе и на выходе из ячейки. Завихрители на входе и выходе в каждой ячейке расположены перпендикулярно друг другу. Кроме того, поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта шероховатостью и/или перфорацией любой формы.

Недостатком этой насадки является низкая интенсивность перемешивания фаз в ячейке. Сущность изобретения

Задачей изобретения является повышение эффективности тепломассообменного процесса.

Техническим результатом заявленного изобретения является интенсификация тепло и массообменных процессов. Технический результат заявленной группы изобретений достигается за счет того, что устройство интенсификации тепло и массообменных процессов, содержит множество соединенных между собой в единый пакет одинаковых ячеек, выполненных с фронтальными и боковыми каналами, причем каждая ячейка образована прямой и обратной воронками сверху и снизу, при этом воронки выполнены перевернутыми и развернутыми относительно друг друга вдоль вертикальной оси, при этом каждая воронка образована парой лепестков, таким образом, чтобы лепестки соседних по вертикали ячеек лежали на одной криволинейной поверхности, при этом обратные поверхности лепестков воронки становятся частью воронок соседней ячейки, а фронтальный канал воронки имел равную площадь с боковыми каналами воронки.

В частном случае реализации заявленного технического решения поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта катализатором. В частном случае реализации заявленного технического решения поверхность каждой ячейки полностью или частично имеет покрытие, улучшающее смачиваемость поверхности жидкостью.

Технический результат заявленной группы изобретений также достигается за счет того, что способ интенсификации тепло и массообменных процессов, включающий этапы на которых: осуществляют тепломассообмен между жидкостью и газом путем чередования пленочных и капельных режимов взаимодействия жидкости и газа, при этом подают жидкость и газ внутрь ячейки через фронтальный и боковые каналы, расположенные сверху и снизу ячейки, образованные прямой и обратными воронками с обеспечением завихрения потока, распределяют равномерно жидкость по внутреннему объему ячейки; выводят жидкость из ячейки, через боковые и фронтальные каналы ячейки с обеспечением разделения потока жидкости; сталкивают потоки жидкости друг с другом с образованием сложного вихревого движения, подают завихренный поток жидкости на вход следующей ячейки; при этом обеспечивают многократное дробление потока жидкости. Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг.-1- Схематичный поперечный разрез тепломассообменного устройства. Фиг. 2 - Схема взаимодействия газовой и жидкой фаз в объеме

тепломассообменного устройства.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции: 1 - перевернутая воронка, 2 - прямая воронка, 3 - образующая коротких лепестков, 4 - образующая длинных лепестков. Раскрытие изобретения

В заявленном изобретении используются пленочный и капельный режимы взаимодействия. Капельный режим обеспечивается одновременно обоими способами: стекание жидкости происходит с пары лепестков, образующих воронку; поток газа, направленный воронкой, образованной парой лепестков, расположенных зеркально ниже, сдувает жидкость с образованием взвеси капель.

Насадка представляет собой совокупность множественных зон интенсивного взаимодействия потоков газа и жидкости. В данных зонах происходит не только тепломассоперенос между жидкостью и газом, но и также равномерное перераспределение газожидкостных потоков по сечению тепломассообменного устройства.

Насадка обладает более развитыми криволинейными поверхностями, и каждая ячейка тепломассообменного устройства образована прямой и обратной воронками сверху и снизу, при этом воронки выполнены перевернутыми и развернутыми относительно друг друга вдоль вертикальной оси, при этом каждая воронка образована парой лепестков, таким образом, чтобы фронтальный канал воронки был перекрыт на просвет и имел равную площадь с боковыми каналами воронки, а обратные поверхности лепестков воронки становятся частью обратной воронки соседней ячейки. Конфигурация лепестков такова, что лепестки прямой и обратной воронок соседних по вертикали ячеек, лежат на одной криволинейной поверхности.

Данная форма ячейки способствует развитию инерционного характера осаждения капель на поверхности пленки жидкости, движущейся по поверхности насадки. Принципиальным отличием является отсутствие сквозных прямолинейных каналов (не наблюдается так называемых просветов сквозь торцы ячеистой насадки). Образующие воронки ячеек лепестки выполнены со смещением относительно друг друга. Основная цель смещений заключается в создании равных по площади входных и выходных каналов ячейки. Газожидкостной поток разделяется поверхностями насадки на равные части, и он как поступает, так и покидает ячейку равными потоками. Каналы снизу и сверху ячейки тепломассообменного устройства, расположены симметрично относительно оси ячейки, и такая конфигурация ячейки способствует закручиванию потока внутри ячейки. Вход и выход из ячейки газожидкостных потоков со стороны боковых каналов способствует дополнительной турбулизации газового потока в ней.

Насадка состоит из множества ячеек. Каждая ячейка образована прямой и обратной воронками, перевернутыми относительно друг друга и развернутыми относительно друг друга вдоль вертикальной оси. Форма воронок задается конфигурацией изогнутых пластин, далее лепестков, которые ее образовывают. Конфигурация лепестков такова, что лепестки прямой и обратной воронок соседних по вертикали ячеек, лежат на одной криволинейной поверхности. За счет такой конструкции обратные поверхности лепестков становятся частью таких же воронок соседней ячейки, а газожидкостной поток плавно омывает данные лепестки. Благодаря этому достигается максимально полезное использование объема массообменного аппарата, обеспечивается низкое гидравлическое сопротивление с реализацией высоких перераспределяющих свойств по газу и жидкости.

Тепломассообменное устройство работает следующим образом: жидкость под действием сил гравитации стекает пленкой по лепесткам, жидкость и газ попадает внутрь ячейки через фронтальный и боковые каналы, расположенные сверху и снизу ячейки, образованные прямой и обратной воронками, и распределяются равномерно по ее внутреннему объему вихрем, который образуется в результате взаимодействия лепестков и потоков газа и жидкости, попадающих внутрь ячейки через эти каналы. В устье воронок, направленных напротив друг друга происходит столкновение потоков газа и жидкости с образование взвеси капель различного размера. Далее крупные капли падают вниз и коагулируют на нижерасположенных лепестках, средние и мелкие движутся вверх вместе с потоками газа. На выходе из ячейки, потоки газа и жидкости делятся опять на три потока и покидают ячейку тепломассообменного устройства сверху и снизу через два боковых и один фронтальный канал. Так как боковые и фронтальные каналы имеют равные по площади сечения, то потоки имеют равные величины. Перед тем, как поступить в ячейку следующего слоя тепломассообменного устройства, газожидкостные потоки сталкиваются друг с другом, опять образуя сложное вихревое движение, которое также характеризуется большими скоростями сдвига.

Вихревое движение потоков усредняет их характеристики, и усредненный поток поступает на вход ячейки следующего слоя ячеек тепломассообменного устройства. Если напряжения сдвига вихревого движения газожидкостного потока превосходят силу поверхностного натяжения попавшей в этот вихрь капли жидкости, то эта капля дробится. Вихревое движение газа и жидкости внутри ячейки характеризуется большими скоростями сдвига, которые позволяют существенно понизить эффективную вязкость в жидкости, что приводит к снижению гидравлического сопротивления тепломассообменного устройства.

В ячейках, за счет их формы, осуществляется организованное турбулентное течение двухфазного газожидкостного потока. За счет сложного характера закрутки газового потока, он начинает диспергировать часть жидкой фазы и также закручивать образующиеся капли вокруг оси вихря, которые, успев осуществить контакт с газом, осаждаются на боковые стенки ячейки тепломассообменного устройства. Поперечное сечение ячеек, таким образом, освобождается от жидкой фазы, что также ведет к снижению гидравлического сопротивления тепломассообменного устройства. Происходит самоорганизация двухфазного потока в каждой ячейке.

Форма ячейки тепломассообменного устройства приводит к разделению газожидкостных потоков на входе и выходе из нее на равные части, каждая из которых поступает в соседние ячейки следующего слоя ячеек тепломассообменного устройства, тем самым достигается изотропность потоков по поперечному сечению аппарата. Отсутствие прямолинейных каналов вдоль оси всех ячеек тепломассообменного устройства полностью исключает вероятность проскоков и отсутствие контакта между потоками газа и жидкости. Поскольку сопротивление ячеек в горизонтальном слое - одинаково, то газожидкостная среда распределяется по всем ячейкам слоя равномерно.

Явления, которые происходят в одной ячейке, также характерны и для других соседних ячеек. Многократное дробление жидкостного потока, а также изменение направления движения потоков внутри ячейки тепломассообменного устройства являются основными факторами, которые приводят к увеличению тепломассообменных характеристик предлагаемого контактного устройства. Форма воронок, образующих ячейки, позволяет плавно омывать лепестки воронок, а также снижение эффективной вязкости газожидкостного потока и постоянная сепарация капель жидкости на стенках ячейки тепломассообменного устройства ведет к снижению гидравлического сопротивления устройства по отношению к известным пакетным контактным устройствам.

Расположение воронок, каналов, образованных ими в ячейке тепломассообменного устройства схематично представлено на фиг. 1

Как уже отмечалось, каждая ячейка тепломассообменногоустройства имеет три канала как на входе, так и на выходе из ячейки. Каждый канал имеет свой характеристический размер. Согласно теории дробления капель, их размер пропорционален пульсационной скорости вихревого движения, а сама пульсационная скорость пропорциональна размеру характеристического канала, в котором это вихревое движение образуется. При прохождении газожидкостного потока через определенный канал, в ней образуются капли, размер которых зависит от характеристического размера данного канала. Капли, полученные в канале с «большим» характеристическим размером, имеют «меньший» размер в сравнении с теми каплями, которые образуются в канале с «меньшим» характеристическим размером в связи с большей пульсационной скоростью в нем.

По мере увеличения расхода газа наблюдается развитие вихревого движение газа с диспергацией жидкости, стекающей с радиусных поверхностей, которые образуют воронки, в область, как щелевидного входного канала ячейки, так и двух сегментообразных боковых каналов насадки. В межслойных промежутках главенствующую роль в перераспределении и дроблении жидкости отводится движущемуся потоку газа. Жидкость, попадающая в ячейки, подвергается интенсивному дроблению в капли и их последующему слиянию (сепарации) на радиусных лабиринтных поверхностях верхнего пакетного слоя в вихревые газожидкостные образования, постоянно изменяющиеся и перераспределяющиеся. С увеличением скорости газового потока до 4 м/с и более происходит значительная интенсификация описанных явлений, сопровождаемая более равномерным перераспределением жидкости в объеме слоя и большей скоростью образования и одновременной сепарацией на стенках ячейки огромного количества капель жидкости.

Проведенные экспериментальные исследования с использованием данного тепломассообменного устройства показали, что на эффективность тепломассообменных процессов существенную роль оказывает как расход газовой фазы, так и расход жидкой фазы по причине не только турбулизации взаимодействующих потоков, но и резкого роста межфазной поверхности. Пространственная форма данного тепломассообменного устройства способствует развитию в объеме насадочного слоя интенсивного взаимодействия газового и жидкостного потоков, причем межфазная поверхность контакта в несколько раз превосходит физическую поверхность насадки. Визуальные наблюдения показывают, что с увеличением скорости наблюдается не только общее увеличение количества удерживаемой жидкости, но и более интенсивное межфазное взаимодействие, протекающее также в значительной мере в межслойных пространствах данного тепломассообменного устройства.

Примеры реализации способа

Исследования процесса абсорбции С0 ₂ из воздуха раствором диэтаноламина в аппарате с данным тепломассообменным устройством показали, что при интенсивном образовании и сепарации капель абсорбента из вращающегося вихря при плотностях орошения 40 120 м ³ /м ² ч, скоростях газа более 2,5 достигаются высокие значения межфазной поверхности и коэффициентов объемной массопередачи.

Такие же высокие показатели газоочистки были получены при исследовании процесса пылеулавливания в аппарате с данным тепломассообменным устройством. При исследовании процесса улавливания сажи, каолина и микро стеклянных шариков были получены КПД газоочистки выше 99% в исследованном диапазоне расходов газа 2-5-6 м/с и жидкости 20+120 м ³ /м ² ч.