RU195502U1

RU195502U1 - Heat and mass transfer apparatus

Info

Publication number: RU195502U1
Application number: RU2019116903U
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Меренцов; Михаил Владимирович Топилин; Александр Владимирович Персидский; Вячеслав Александрович Балашов; Александр Борисович Голованчиков
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-01-29

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции тепломассообменных аппаратов непрерывного действия.Технический результат достигается при использовании тепломассообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, при этом корпус дополнительно снабжен рубашкой, полый вал снабжен патрубками для подачи и отвода теплоносителей, а верхняя поверхность шнекового винта выполнена оребренной в тангенциальном направлении.Техническим результатом предлагаемого тепломассообменного аппарата является повышение производительности при осуществлении массообменных процессов и газофазных каталитических экзо- и эндотермических реакций.The proposed solution relates to the design of continuous heat and mass transfer apparatuses. The technical result is achieved by using a heat and mass transfer apparatus consisting of a vertical housing with a gas distribution chamber, nozzles for supplying starting materials and removal of mass transfer products fixed to the hollow shaft of a single-screw screw with a perforated helical surface and radial the partitions located on the lower surface of the screw with a gap include the upper surface of the next turn of the screw screw, and the perforated grating separating the gas distribution chamber from the screw screw, the housing is additionally provided with a jacket, the hollow shaft is equipped with nozzles for supplying and discharging coolants, and the upper surface of the screw screw is finned in the tangential direction. heat and mass transfer apparatus is to increase productivity in the implementation of mass transfer processes and gas-phase catalytic exo- and en otermicheskih reactions.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции тепломассообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых в процессах адсорбции, абсорбции, десорбции, ректификации, сушки, экстракции особенно когда одной из фаз является высоковязкая, неньютоновская, структурированная жидкость, высококонцентрированная суспензия или эмульсия и мелкодисперсная твердая фаза, а также для реализации экзо- и эндотермических газофазных каталитических реакций.The proposed technical solution relates to the design of continuous heat and mass transfer apparatuses used in the processes of adsorption, absorption, desorption, rectification, drying, extraction, especially when one of the phases is a highly viscous, non-Newtonian, structured liquid, a highly concentrated suspension or emulsion and a finely divided solid phase, as well as implementation of exothermic and endothermic gas-phase catalytic reactions.

Известны конструкции тарельчатых барботажных массообменных аппаратов и реакторов, представляющих собой вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки - тарелки со сливными устройствами (Тимонин А.С., Божко Г.В., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. и др. Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств. Книга 2 / под общей ред. А.С. Тимонина. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 476 с., Тимонин А.С., Балдин Б.Г., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. Машины и аппараты химических производств / под общей ред. А.С. Тимонина. - Калуга: Изд. «Ноосфера», 2014. - 856 с.)Known designs of bubble dish mass exchange apparatuses and reactors, which are vertical columns, inside of which at a certain distance from each other horizontal partitions are placed - plates with drain devices (Timonin A.S., Bozhko G.V., Borschev V.Ya., Gusev Yu.I. et al. Equipment for oil and gas refining, chemical and petrochemical industries, Book 2 / under the general editorship of A.S. Timonin - M .: Infra-Engineering, 2019 .-- 476 p., Timonin A.S., Baldin B.G., Borschev V.Ya., Gusev Yu.I. Machines and devices for chemical production / in general ed AS Timonina - Kaluga:.. Publishing House "noosphere", 2014. - 856 c)..

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся малая скорость движения высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, высококонцентрированных суспензий или эмульсий и мелкодисперсной твердой фазы по горизонтальным перегородкам, что резко снижает производительность колонны.Reasons that impede the achievement of a given technical result include the low speed of highly viscous, non-Newtonian and structured liquids, highly concentrated suspensions or emulsions and finely divided solid phase along horizontal partitions, which sharply reduces the performance of the column.

Известна конструкция адсорбера непрерывного действия включающего корпус с хроматографическими секциями, внутри которых размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцерами ввода исходного сырья, устройства для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройство для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента, при этом колосниковые и аккумулирующие тарелки установлены под углом к горизонтальной поверхности большим угла трения между материалом гранул и материалом тарелки, причем тарелки в нижней части снабжены патрубками с образованием зазора между их торцами и поверхностью ниже располагающейся тарелки, равного по высоте слоя адсорбента на тарелке (Патент РФ №111022, B01D 53/06, 2011).A known design of a continuous adsorber comprising a housing with chromatographic sections, inside which there are grate plates, a distribution plate with raw material input fittings, devices for supplying heat to the chromatographic section, storage plates with output fittings of fractions extracted from the raw material and a device for introducing fresh and output spent adsorbent, while the grate and storage plates are installed at an angle to the horizontal surface of a large angle tren I pictures between pictures granules and plates, wherein the plates are provided at the bottom of branch pipes to form a gap between their ends and the surface located below the plates, equal to the height of the adsorbent layer on the plate (RF Patent №111022, B01D 53/06, 2011).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая поверхность тарелок из-за необходимости установки на каждой из них патрубков для перетекания адсорбента с одной тарелки на другую, что снижает производительность колонны.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the small surface of the plates due to the need to install nozzles on each of them for the flow of adsorbent from one plate to another, which reduces the performance of the column.

Известна конструкция массообменного аппарата, содержащего центральную вертикальную цилиндрическую пустотелую колонну, являющуюся загрузочным патрубком для твердой фазы и снабженную отверстием, расположенным на уровне днища, с закрепленным на ее наружной поверхности спиральным рабочим органом с радиально расположенными перегородками, имеющими козырек, по всей его длине, разгрузочный лоток в конце верхнего витка рабочего органа, разделитель потока на верхнем витке рабочего органа с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, штуцеров для подвода экстрагента и отвода экстракта, установленных с выходом на предпоследний виток рабочего органа и в нижней части аппарата соответственно, при этом спиральный рабочий орган аппарата выполнен сплошным с радиально расположенными перегородками по всей длине его поверхности, высота которых не превышает вертикальную составляющую амплитуды колебаний вибратора (Патент РФ №2257936, B01D 11/02 2005).A known design of a mass transfer apparatus containing a central vertical cylindrical hollow column, which is a loading nozzle for a solid phase and equipped with an opening located at the bottom level, with a spiral working body fixed on its outer surface with radially located partitions having a visor along its entire length, is unloading tray at the end of the upper turn of the working body, the flow separator on the upper turn of the working body with the possibility of rotation around a vertical axis, pieces ers for supplying extractant and extracting extract, installed with access to the penultimate turn of the working body and in the lower part of the apparatus, respectively, while the spiral working body of the apparatus is made continuous with radially located partitions along the entire length of its surface, the height of which does not exceed the vertical component of the amplitude of vibrations of the vibrator (RF patent No. 2257936, B01D 11/02 2005).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность использования данного массообменного аппарата в системах с газовыми и паровыми фазами компонентов, что резко снижает производительность в условиях массообмена с участием газовой или паровой фаз.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the difficulty of using this mass transfer apparatus in systems with gas and vapor phases of components, which dramatically reduces productivity under conditions of mass transfer involving gas or vapor phases.

Известна конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, загрузочного и выгрузочного устройств, патрубков, двухзаходного шнекового винта, закрепленного на полом валу, привода, корпуса в верхней части которого находится коллектор, расположенный на уровне последнего винта шнека, винтовые поверхности перфорированы отверстиями различного диаметра в средней части винта, а угол наклона образующей верхней винтовой поверхности к оси винта и угол подъема верхней и нижней винтовых поверхностей больше угла естественного откоса твердой фазы, по гребням витков закреплена спиральная полоса, превращающая межвинтовой объем в замкнутый спиральный канал, в котором установлены радиальные перегородки, а в стенах вала выполнены отверстия, размещенные между радиальными перегородками (Патент РФ №2079346, B01D 53/06 1997).A known design of a mass transfer apparatus, consisting of a vertical housing, loading and unloading devices, nozzles, a twin-screw screw mounted on a hollow shaft, a drive, a housing in the upper part of which is a collector located at the level of the last screw of the screw, screw surfaces are perforated with holes of various diameters the middle part of the screw, and the angle of inclination of the generatrix of the upper helical surface to the axis of the screw and the angle of elevation of the upper and lower helical surfaces is greater than the angle naturally of the slope of the solid phase, a spiral strip is fixed along the crests of the turns, which turns the inter-screw volume into a closed spiral channel in which the radial partitions are installed, and the holes made between the radial partitions are made in the shaft walls (RF Patent No. 2079346, B01D 53/06 1997).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится отсутствие возможности осуществления управляемых неизотермических массообменных процессов и газофазных экзо- и эндотермических реакций, с возможностью управления тепловыми режимами.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the lack of the possibility of controlled non-isothermal mass transfer processes and gas-phase exothermic and endothermic reactions, with the ability to control thermal conditions.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, патрубков для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, закрепленного на валу, при этом, что корпус в нижней части содержит газораспределительную камеру и перфорированную решетку, отделяющую газораспределительную камеру от шнекового винта, а шнековый винт выполнен однозаходным, при том радиальные перегородки расположены на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта (Патент РФ №141487, B01D 53/06, B01D 11/02, 2014).The closest technical solution for the totality of features to the claimed object and adopted as a prototype is the design of the mass transfer apparatus, consisting of a vertical housing, nozzles for supplying the starting materials and removal of mass transfer products, a screw screw with a perforated helical surface and radial partitions, mounted on the shaft, while that the housing in the lower part contains a gas distribution chamber and a perforated grating that separates the gas distribution chamber from the screw screw, and nekovy screw is a single-pass, while the radial partition walls arranged at the lower surface of the screw rotor, with a gap relative to the upper surface of the next turn of the screw propeller (Patent RF №141487, B01D 53/06, B01D 11/02, 2014).

Задача - разработка конструкции тепломассообменного аппарата обладающего широким спектром возможностей регулирования технологических параметров и возможностью качественного отвода/подвода тепла.The task is to develop the design of a heat and mass transfer apparatus with a wide range of possibilities for regulating technological parameters and the possibility of high-quality heat removal / supply.

Техническим результатом предлагаемого тепломассообменного аппарата является повышение производительности при осуществлении массообменных процессов и газофазных каталитических экзо- и эндотермических реакций.The technical result of the proposed heat and mass transfer apparatus is to increase productivity in the implementation of mass transfer processes and gas-phase catalytic exothermic and endothermic reactions.

Технический результат достигается при использовании тепломассообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, при этом корпус дополнительно снабжен рубашкой, полый вал снабжен патрубками для подачи и отвода теплоносителей, а верхняя поверхность шнекового винта выполнена оребренной в тангенциальном направлении.The technical result is achieved by using a heat and mass transfer apparatus consisting of a vertical housing with a gas distribution chamber, nozzles for supplying starting materials and removing mass transfer products fixed to the hollow shaft of a single-screw screw with a perforated helical surface and radial partitions located on the lower surface of the screw screw with a clearance relative to the upper surface of the next turn of the screw screw, and the perforated grating separating the gas distribution the chamber from the screw screw, while the housing is additionally equipped with a jacket, the hollow shaft is equipped with nozzles for supplying and discharging coolants, and the upper surface of the screw screw is ribbed in the tangential direction.

Сущностью технического решения является разработка тепломассообменного аппарата, с возможностью управления тепловыми режимами в ходе массообменных процессов.The essence of the technical solution is the development of heat and mass transfer apparatus, with the ability to control thermal conditions during mass transfer processes.

Выполнения корпуса аппарата с рубашкой и полого вала с патрубками для подачи и отвода теплоносителей обеспечивает возможность подачи и отвода тепла с различными схемами тока относительно продуктов массообмена. Выполнение верхней поверхности шнекового винта оребренной в тангенциальном направлении позволяет организовать течение дисперсной фазы и увеличить суммарную поверхность теплоотдачи, что также способствует эффективному теплообмену и обеспечивает равномерное время пребывания дисперсной фазы в тепломассообменном аппарате.The execution of the housing of the apparatus with a jacket and a hollow shaft with nozzles for supplying and removing heat carriers provides the possibility of supplying and removing heat with various current circuits relative to mass transfer products. The execution of the upper surface of the screw screw ribbed in the tangential direction allows you to organize the flow of the dispersed phase and increase the total heat transfer surface, which also contributes to efficient heat transfer and ensures uniform residence time of the dispersed phase in the heat and mass transfer apparatus.

Равномерное время пребывания дисперсной фазы в тепломассообменном аппарате и управление тепловыми режимами активизируют массообменные диффузионные процессы, что приводит к повышению производительности тепломассообменного аппарата.The uniform residence time of the dispersed phase in the heat and mass transfer apparatus and the control of thermal conditions activate mass transfer diffusion processes, which leads to an increase in the productivity of the heat and mass transfer apparatus.

На чертеже показан общий вид тепломассообменного аппарата в разрезе.The drawing shows a General view of the heat and mass transfer apparatus in section.

Тепломассообменный аппарат состоит из вертикального корпуса 1 с газораспределительной камерой 2, патрубками для подвода исходных веществ 3 и отвода продуктов массообмена 4 и патрубками входа 5 и выхода 6 газовой (паровой) фазы. Корпус 1 снабжен полым валом 7, на котором закреплен однозаходный шнековый винт 8 с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками 9, расположенными на нижней поверхности шнекового винта 8 с зазором 10 относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта 8. Верхняя поверхность шнекового винта 8 выполнена оребренной в тангенциальном направлении. Газораспределительную камеру 2 от шнекового винта 8 отделяет перфорированная решетка 11. Корпус 1 снабжен рубашкой 12, полый вал 7 снабжен патрубками для подачи 13 теплоносителей и отвода 14 теплоносителей. Рубашка 12 выполнена с патрубками подвода 15 и отвода 16 теплоносителей.The heat and mass transfer apparatus consists of a vertical housing 1 with a gas distribution chamber 2, nozzles for supplying the starting materials 3 and removal of mass transfer products 4 and nozzles of the inlet 5 and outlet 6 of the gas (vapor) phase. The housing 1 is provided with a hollow shaft 7 on which a single-screw screw 8 with a perforated screw surface and radial partitions 9 located on the lower surface of the screw screw 8 with a gap 10 relative to the upper surface of the next turn of the screw screw 8 is fixed. The upper surface of the screw screw 8 is made finned tangential direction. A gas distribution chamber 2 is separated from the screw screw 8 by a perforated grate 11. The housing 1 is provided with a jacket 12, the hollow shaft 7 is equipped with nozzles for supplying 13 coolants and for removing 14 coolants. Shirt 12 is made with nozzles for supply 15 and outlet 16 coolant.

Тепломассообменный аппарат работает следующим образом.Heat and mass transfer apparatus operates as follows.

По патрубку 3 подаваемая дисперсная фаза (например, жидкость, суспензия, гранулы дисперсного высушиваемого материала, сорбент, катализатор) поступает в верхнюю часть корпуса 1, затем медленно движется сверху вниз под действием силы тяжести по верхней оребренной поверхности витков шнекового винта 8 через зазоры 10 и выходит из корпуса 1 через патрубок 4. По патрубку 5 в газораспределеную камеру 2 подают восходящий поток газа (пара), который равномерно распределяется по сечению массообменного аппарата проходя через перфорированную решетку 11. Поток газа (смеси газов, продуктов реакций) (пара) проходя через отверстия в витках перфорированного шнекового винта 8 образует с подаваемой фазой барботажный слой, в котором происходит массообмен между подаваемой фазой и восходящей газовой фазой. Газовый (паровой) поток выходит из корпуса 1 через патрубок 6. Так как между витками перфорированного шнекового винта 8 установлены радиальные перегородки 9, ограничивающие слой жидкости или твердой дисперсной фазы, то движение газовой (паровой) фазы по винтовому каналу в корпусе в зазоре 10 между подаваемой фазой и нижней поверхностью витков перфорированного шнекового винта 8 затруднено, что заставляет ее двигаться вертикально через отверстия (перфорации) шнекового винта 8.Through the nozzle 3, the supplied dispersed phase (for example, liquid, suspension, granules of the dispersed dried material, sorbent, catalyst) enters the upper part of the housing 1, then slowly moves from top to bottom under the action of gravity along the upper fin surface of the turns of screw screw 8 through the gaps 10 and leaves the housing 1 through the pipe 4. The pipe 5 in the gas distribution chamber 2 serves upward flow of gas (steam), which is evenly distributed over the cross section of the mass transfer apparatus passing through the perforated grid 11. P gas current (gas mixture of reaction products) (p) passing through holes in the perforated screw turns of the screw 8 forms a bubbling bed feed phase in which mass transfer occurs between the feed phase and an ascending gaseous phase. The gas (steam) stream exits the housing 1 through the nozzle 6. Since radial partitions 9 are installed between the turns of the perforated screw screw 8, restricting the layer of liquid or solid dispersed phase, the gas (steam) phase moves along the screw channel in the housing in the gap 10 between the phase and the lower surface of the turns of the perforated screw screw 8 is difficult, which makes it move vertically through the holes (perforations) of the screw screw 8.

Для осуществления неизотермических массообменных процессов или экзо- и эндотермических газофазных реакций (каталитических) теплоносители (или хладагенты) поступают в рубашку 12 и теплообменный полый вал 7 через патрубки 13, 14, 15, 16 (по различным схемам тока относительно продуктов массообмена и реакции, например прямоток, противоток, смешанный ток, - исходя их технологических требований и теплофизических характеристик теплоносителей). Теплоносители реализуют отвод или подвод тепла к продуктам массообменных процессов и газофазных каталитических реакций, осуществляя контроль и управление тепловыми режимами работы. Контактная оребренная перфорированная винтовая шнековая поверхность жестко соединена с полым валом 7 и устанавливается в натяг с корпусом аппарата 1, что обеспечивает лучшие условия теплопроводности, то есть вся винтовая поверхность будет выполнять функцию теплообменных ребер, помимо основных поверхностей теплопередачи.To carry out non-isothermal mass transfer processes or exothermic and endothermic gas-phase reactions (catalytic), coolants (or refrigerants) enter the jacket 12 and the heat-exchange hollow shaft 7 through nozzles 13, 14, 15, 16 (according to various current schemes for mass transfer products and reactions, for example forward flow, countercurrent, mixed current, based on their technological requirements and thermophysical characteristics of coolants). Heat carriers realize the removal or supply of heat to the products of mass transfer processes and gas-phase catalytic reactions, monitoring and controlling the thermal operating conditions. The contact finned perforated screw screw surface is rigidly connected to the hollow shaft 7 and installed in interference with the body of the apparatus 1, which provides better heat conduction conditions, that is, the entire screw surface will serve as heat exchange fins, in addition to the main heat transfer surfaces.

Таким образом, использование тепломассообменного аппарата, состоящего из вертикального снабженного рубашкой корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу, снабженном патрубками для подачи и отвода теплоносителей, однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью, радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и оребренной в тангенциальном направлении верхней поверхностью, и перфорированной решетки обеспечивает повышение производительности при осуществлении массообменных процессов и газофазных каталитических экзо- и эндотермических реакций.Thus, the use of heat and mass transfer apparatus, consisting of a vertical jacketed body with a gas distribution chamber, nozzles for supplying starting materials and removal of mass transfer products, mounted on a hollow shaft, equipped with nozzles for supplying and discharging coolants, a single-screw screw with a perforated helical surface, radial partitions located on the bottom surface of the screw screw with a gap relative to the upper surface of the next turn of screw screws a and ribbed in the tangential direction of the upper surface, and a perforated grille provides improved performance in carrying out mass transfer processes and gas-phase catalytic exothermic and endothermic reactions.

Claims

Heat and mass transfer apparatus, consisting of a vertical casing with a gas distribution chamber, nozzles for supplying the starting materials and removal of mass transfer products fixed to the hollow shaft of a single-screw screw with a perforated screw surface and radial partitions located on the lower surface of the screw screw with a gap relative to the upper surface of the next turn of the screw screw, and a perforated grate separating the gas distribution chamber from the screw screw, characterized in that the housing is additionally provided with a jacket, the hollow shaft is equipped with nozzles for supplying and discharging coolants, and the upper surface of the screw screw is ribbed in the tangential direction.