RU1816465C - Способ разделени составл ющих парогазовых смесей и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике сепарации газов, обладающих различными плотност ми и термодинамическими параметрами и может быть использовано дл  сепарации паров и аэрозоли серы в технологическом процессе плазмохимического получени  водорода из сероводорода. Изобретение позвол ет повысить эффективность сепарации газов путем интенсификации фазового перехода в жидкое или твердое состо ни  одной составл ющей с одновременным центрифу

Description

гированием. Сущность: способ заключаетс  в генерации ударных волн в закрученном парогазовом потоке. Скорость ударных волн подбираетс  такой, чтобы в фронте ударной волны образовалось давление, соответствующее фазовому переходу сепарируемой составл ющей , и.сконденсированное вещество за счет центробежных сил направл ют на поверхность конденсации. Устройство дл  реализации способа (фиг. 1) содержит цилиндрическую осадительную камеру 1. Ввод парогазовой смеси производитс  тангенциально через патрубок 2, а вывод очищенного газа через патрубок 5. Сконденсированное в фронте ударной волны и осажденное на поверхность конденсации вещество отводитс  через патрубок 3. Ударна  волна генерируетс  вращающимс  ротором 5. Частота вращени  ротора 5 подбираетс  такой, чтобы давление в фронте ударной волны соответствовало фазовому переходу сепарируемой составл ющей 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относитс  к технике сепарации одной из составл ющих многокомпонентных парогазовых смесей, состо щих из компонентов с различной плотностью и различными лззрмодинамическими параметрами , например, выделени  паров серы из технологических парогазовых потоков при получении водорода из сероводорода плаз- мохимическим методом.

Цель изобретени  - интенсификаци  .процесса за счет инерционного отбора сконденсированного вещества из подвижных пространственно-локальных зон фазо- вого перехода.

Генерирование по круговой траектории п ударных волн вдоль поверхности конденсации , охватывающей периферию спиральной траектории парогазового потока позвол ет решить три задачи. Во-первых, обеспечиваетс  непрерывность генерации ударной волны, что удовлетвор ет требовани м непрерывного технологического процесса . Во-вторых, в течени х смеси газов (или паров) с сильно различающимис  массами молекул при резких ускорени х или торможени х потока, что имеет место в ударной волне, из-за большой инертности т желых молекул возникает скоростное скольжение между компонентами смеси, В силу затрудненности обмена энергией между молекулами с большой разницей в массах внутри каждого компонента устанавливаетс  сво  скорость и температура, причем скорость т желого компонента всегда превосходит скорость легкого. Разность гидродинамических скоростей компонентов смеси и разность их температур сравнимы с самими скорост ми и температурами, поэтому при движении ударной волны по круговой траектории будет происходить сепараци  отдельных компонент за счет центробежных сил. действующих на технологический поток смеси. В-третьих, этим создаётс  п движущихс  поверхностей разрыва в парогазовом

потоке, скорость распространени  которых приблизительно на два пор дка превышает осевую скорость движени  технологической смеси. В фронте каждой ударной волны происходит скачкообразное изменение давлени , плотности и температуры. Так, например, при скорости распространени  ударной волны V 400 м/с относительное изменение давлени  составл ет47%, а аналогичноеизменение плотности - 30%. Поэтому фронты ударных волн в потоке технологических газовых смесей при определенном выборе скорости будут  вл тьс  подвижными пространственно-локальными зонами, в кото- рых образуютс  услови  дл  фазового перехода - из парообразного состо ни  в жидкое или твердое состо ние, что приведет к образованию твердых включений или частиц аэрозоли. Эти фронты в парогазовом

потоке выполн ют роль квазижестких лопаток ,  вл ющихс  барьером дл  твердых частиц и аэрозолей. Кинетическа  энерги  ударной волны, передава сь сконденсированным частицам вещества в виде импульса силы, способствует агломерации твердых включений и коагул ции аэрозолей. Центробежные силы вывод т сепарируемое вещество из подвижных пространственно-локальных зон на периферию и направл ют на поверхность

конденсации.

Измерение давлени  парогазовой смеси в фронте ударной волны, сопоставление его с предварительно определенным-давле- нием фазового перехода выдел емой составл ющей смеси, позвол ет установить будет ли в этих услови х происходить конденсаци  (фазовый переход) раздел емых компонентов смеси. Если давление фазового перехода выше измеренного давлени , то

измен ют (увеличивают) скорость движени  ударной волны до величины, при которой давление в фронте ударной волны будет превышать давление фазового перехода выдел емой составл ющей парогазовой сме

си. Это позвол ет реализовать способ при переменных параметрах потока смеси.

Наличие в устройстве дл  осуществлени  способа задатчика давлени  фазового перехода осаждаемого вещества и преобразовател  давлени  в фронте ударной волны, которые соединены с входами устройства сравнени , позвол ет при помощи системы управлени  частотой вращени  вала движител  привода измен ть линейную скорость обтекаемых тел, закрепленных на роторе и, следовательно, измен ть скорость распространени  ударной волны и термодинамические услови  в ней.

Выполнение генератора ударных волн в виде ротора с закрепленными на его периферии обтекаемыми телами и монтаж генератора на выходном валу привода, ось которого совпадает с осью симметрии оса- дитёльной камеры, позвол ет непрерывно генерировать ударные волны в технологической смеси простым и дешевым в эксплуатации устройством, обеспечива  при этом в зависимости от количества тел обтекани  на роторе требуемую скважность воздействи  ударных волн на парогазовую смесь.

Изготовление поверхности конденсации осадительной камеры в виде набора плоских капилл ров, внешн   сторона которых находитс  в термостате, дает возможность выбрать оптимальную температуру расплава осажденной составл ющей паро- газовой смеси, при которой он имеет максимальную текучесть. Генерируема  ударна  волна  вл етс  одновременно источником звука высокой интенсивности. При взаимодействии ударной волны с элементами внутренней поверхности осадительной камеры происходит искажение профил  фронта и св занное с этим изменение спектрального состава звуковой волны. В спектре звуковой волны образуютс  высокочастотные гармоники , интенсивность которых значительна даже в ультразвуковой области. Наложение акустического и ультразвукового пОдей на расплав осажденного вещества увеличивает капилл рный эффект (высоту подъема расплава в капилл рах) и тем самым обеспечивает переток осажденного вещества на внешнюю поверхность камеры осаждени , где легкоплавкий компонент стекает в отвод щий патрубок.

На фиг. 1 изображена конструктивна  схема устройства дл  осуществлени  данного способа; на фиг. 2 - элементы внутренней поверхности осадительной камеры.

Способ разделени  составл ющих па- рогазовых смесей реализуетс  устройством (фиг. 1), содержащим цилиндрическую оса- дительную камеру 1, котора  выполнена в

виде вихревой камеры. Вход парогазового потока в камеру 1 осуществл етс  через патрубок 2, установленный по касательной к

5 цилиндрической части камеры 2. Сконденсированное и осажденное вещество отводитс  через патрубок 3 и далее через жидкостный затвор 4 к откачивающему насосу (на чертеже не приведен), оставша с 

0 часть технологического потока направл етс  на дальнейшую переработку через патрубок 5, установленный на торцовой стенке камеры 1. Осадительна  камера 1 размещена в термостате 6, который обеспечивает

5 управление температурой нагрева поверхности конденсации, Соосно с геометрической осью камеры 1 размещен быстроходный вал 7 привода 8. На валу 7 смонтирован ротор 9 (в данной конструкции изображен спарен0 ный ротор), на периферии которого в данном примере закреплено два обтекаемых тела 10. Количество лопастей ротора К выбирают в зависимости от требуемой частоты F наложени  ударной волны на технологиче5 ский п ото к, „ кото ра  определ етс  из выражени 

F K Fi,, 0 где Fi - частота вращени  быстроходного вала 7 привода 8.

На фиг. 1 роторы содержат по две лопасти К 2.

Измерение давлени  в фронте ударной

5 волны производитс  при помощи преобразовател  11 .| Давление фазового перехода осаждаемой компоненты газовой смеси выбираетс  по справочным или эксперимен- тальным данным и задаетс  блоком

0 задатчика давлени  12. Сигналы от преобразовател  11 и задатчика 12 поступают на устройство сравнени  13, выход которого св зан с входом системы управлени  частотой 14 вращени  вала движител  привода 8.

5 Поверхность конденсации камеры 1 (фиг. 2) изготовлена из набора плоских пластин 15, между которыми размещены распорные шайбы 16. Сборка набора пластин осуществл етс  при помощи шпилечного соеди0 нени  17.

Работа устройство дл  осуществлени  способа разделени  составл ющих парога- зовых смесей заключаетс  в следующем. Перёд началом работы поверхность

5 конденсации камеры 1 подогреваетс  до температуры плавлени  осаждаемого компонента смеси и поддерживаетс  в выбранном температурном режиме при помощи термостата 6. Технологический поток паро- газовой смеси поступает в патрубок 2 и, направл  сь вдоль цилиндрической части

камеры 1, преобразуетс  в спиралеобразный поток.

Привод 8 обеспечивает плавный запуск и последующее вращательное движение быстрбходного вала 7 и закрепленного на нем ротора 9. Круговую частоту вращени  ротора 9 и радиус расположени  на нем обтекаемых тел выбирают такими, чтобы удовлетвор лось условие

ал .R С,

где С - скорость звука в газовой среде, что обеспечивает сверхзвуковую линейную скорость обтекани  тел 10 по круговой тра- ектории. При этом перед лобовой частью каждого обтекаемого тела образуетс  фронт ударной волны, который в зависимости от выбранной окружной скорости характеризуетс  определенными давлением, плотностью и температурой, значительно превышающими аналогичные параметры окружающей среды. Дл  увеличени  площади ударной волны без значительного увеличени  лобового сопротивлени , ротор 9 целесообразно выполнить спаренным. Увеличение площади фронта позвол ет увеличить объем осадительной камеры , что повышает производительность технологического процесса.

Т.к. технологический поток парогазовой смеси  вл етс  непрерывным и характеризуетс  заданными параметрами (давлением , температурой и плотностью), то создать в нем поверхность разрыва с другими параметрами , можно только в локальном объеме, которым  вл етс  фронт ударной волны. В такой подвижной поверхности разрыва, имеющей давление, величина которого выше давлени  фазового перехода осаждаемого вещества, происходит конденсаци  выдел емой компоненты и разделение газодинамических скоростей молекул веществ с сильно различающимис  массами. Дл  того, чтобы осуществл лс  фазовый переход выдел емой компоненты, сравнивают давле- ние в фронте ударной волны, измеренное преобразователем давлени  11, с давлением задатчика 12, которое выбираетс  предварительно по экспериментальным или справочным данным. Если давление в фронте ударной волны меньше чем давление в блоке задатчика 12, то с выхода устройства сравнени  13 поступает сигнал на вход системы управлени  частотой 14 вращени  вала движител . В конкретном исполнении используетс  электродвигатель посто нного тока, частота вращени  вала которого задаетс  тиристорным преобразователем. При увеличении частоты вращени  возрастает линейна  скорость обтекаемых тел 10 и, соответственно, скорость распространени  ударной волны, св занной с телом 10. Одновременно с увеличением скорости происходит увеличение давлени  и плотности вещества в фронте ударной волны. При равенстве сравниваемых параметров устройство дл  осуществлени  способа начинает работать в стационарном режиме, т.е. при

a) R Vp.

Ось вращени  ротора 9 совпадает с осью спиралеобразного потока, и кажда 

ударна  волна, перемеща сь в том же направлении , что и спиральный поток парогазовой смеси, многократно пересекает ее вследствие значительного превышени  скорости ударной волны над скоростью потока

(примерно на два пор дка). Фронты ударных волн,  вл  сь квазижесткими поверхност ми дл  сконденсированных аэрозолей и твердых включений, передают им импульс силы, а центробежное ускорение создает

услови  дл  переноса этих частиц на периферию цилиндрической части вихревой камеры 1. Здесь выдел емое вещество попадает на осадительную поверхность, выполненную из набора плоских пластин 15.

Эти пластины 15, располага сь с зазором друг относительно друга, образуют капилл рную поверхность, котора  имеет температуру , заданную термостатом 6. Внешн   сторона пластин 15 охватываетс  общим

коллектором (фиг. 2) и по нему под действием сил гравитации осаждаемое вещество стекает в патрубок 3 и далее в жидкостной затвор 4, откуда откачиваетс  в емкость. Спектральна  характеристика звука, генерируёмого ударной волной, характеризуетс  наличием дискретных и шумовых составл ющих, причем основна  часть энергии переноситс  дискретными составл ющими , кратными частоте вращени  ротора 9. При этом амплитуда звукового давлени  высших гармоник часто превышает соответствующую амплитуду первой гармоники . Число гармоник в спектре, которые имеют практически равную амплитуду, превышает 10-15 шт., поэтому в спектре кроме звукового диапазона имеетс  ультразвуковой диапазон ( до 40 кГц). Суммарное воздействие ультразвука и наклонного фронта ударной волны увеличивают высоту

подъема жидкости в капил рах и преп тствует их засорению.

Остальна  часть парогазовой смеси через патрубок 5 поступает на последующую технологическую обработку.

Пример. При плазмохимической разложении сероводорода исходный очищаемый газ содержит примерно:

Н2 - 15%, С02 - 40%, СО - 10%, Н2О- 10% и серы в парообразном и аэрозольном

состо нии 366 г/м3.

Дл  получени  водорода, который бы соответствовал требовани м ГОСТ 3022-80. смесь последовательно сепарируетс , в том числе окончательна  обработка проводитс  при помощи мембранных фильтров. Однократное применение сепаратора, работа которого основана на за вл емом способе, при производительности 3000 м3/ч обеспечивает остаточную концентрацию серы в технологическом потоке в пределах 6,5-7 г/м при атмосферном давлении. При этом энергетические затраты дл  обеспечени  процесса составл ют приблизительно 60 кВт.-ч.

Таким образом, предлагаемое техническое решение за счет уменьшени  кратности позвол ет увеличить производительность процесса и уменьшить энергозатраты на единицу объема полученного продукта. Улучшение качества очистки при той же про- изводительности обеспечивает значительное увеличение срока службы мембранных фильтров.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ разделени  составл ющих парогазовых смесей, включающий циклическое перемешивание с заданной частотой локального объема парогазовой смеси относительно поверхности конденсации, отличающийс  тем, что, с целью интенсификации процесса за счет инерционного отбора сконденсированного вещества из подвижных пространственно локальных зон фазового перехода парбгазовую смесь направл ют по спиральной траектории, генерируют по круговой траектории п ударных волн вдоль поверхности конденсации, охватывающей периферию спиральной траектории , измер ют давление парогазовой смеси 5 в фронте ударной волны, сравнивают его с заданным давлением фазового перехода, выдел емой составл ющей парогазовой смеси, по результату сравнени  устанавливают давление во фронте ударной волны,

   0 превышающем заданное, путем изменени  скорости движени  ударной волны.
2. 2. Устройство дл  разделени  составл ющих парогазовых смесей, содержащее привод вращательного движени  с регули5 руемой частотой вращени  выходного вала и осадительную камеру с входным и выходным патрубками, осадительна  камера расположена в термостате, отличающеес  тем, что, с целью интенсификации процесса

   0 за счет инерционного отбора сконденсированного вещества из подвижных пространственно локальных зон фазового перехода оно дополнительно содержит задатчик давлени  фазового перехода осаждаемого ве5 щества и преобразователь давлени  в фронте ударной волны, устройство сравнени  и систему управлени  частотой вращени  выходного вала привода, генератор ударных волн, установленный на выходном

   0 валу привода и выполненный в виде ротора с закрепленными на его периферии обтекаемыми телами, ось ротора совпадает с осью симметрии осадительной камеры, а внутренн   поверхность конденсации камеры

   5 выполнена из набора плоских капилл ров, причем выходы задатчика давлени  фазового перехода осаждаемого вещества и преобразовател  давлени  в фронте ударной волны через устройство сравнени  соедине0 ны с входом системы управлени  частотой вращени  выходного вала привода.

   Фиг.2