RU2232043C1

RU2232043C1 - Vertical multistage heat-mass exchange apparatus

Info

Publication number: RU2232043C1
Application number: RU2003104208/15A
Authority: RU
Inventors: В.И. Петров (RU); В.И. Петров; А.С. Балыбердин (RU); А.С. Балыбердин; И.М. Замдиханов (RU); И.М. Замдиханов; А.В. Петров (RU); А.В. Петров; И.А. Махоткин (RU); И.А. Махоткин
Original assignee: Казанский межвузовский инженерный центр "Новые технологии"
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2004-07-10

Abstract

FIELD: chemical and a petrochemical industry; chemical engineering.

SUBSTANCE: the invention is pertinent to the fields of chemical engineering and can be realized in chemical and a petrochemical industry. With the purpose of an intensification of the process of a heat-mass exchange at major mass loads in a liquid and a gaseous phases at the large contact surfaces they use the apparatus consisting of: a housing 1, plates 2, 3, contact branch-pipes 4 made in the form of spiral pipes, a stream vortex generator 5, a gaseous upstream branch-pipe 6, the overflow branch-pipes 7 and a hydraulic lock 8. At that the ratio of a diameter of a gaseous branch-pipe to a diameter of a contact element makes 03-0.5, the height of the contact element makes 0.7-1.0 of space between the contact plates, and in the lower part of the contact element the coils are made with a positive allowance and the area of the formed slots in 1.5-3.0 times more than the cross-sectional area of a gaseous branch-pipe. Besides, the contact branch-pipe may be made in the form of a finned inside cartridge with a jacket, a cross-section of the cartridge may be cylindrical, rectangular, oval, polyhedral. Application of the given apparatus allows to intensify a mass exchange and to reduce power inputs at major mass loads in a liquid and a gaseous phase.

EFFECT: the invention allows to intensify a mass exchange and to reduce power inputs at major mass loads in a liquid and a gaseous phase.

4 cl, 1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области химической технологии, более конкретно для абсорбции в производстве кальцинированной соды, и может быть реализовано в химической и нефтехимической промышленности.The invention relates to the field of chemical technology, more specifically for absorption in the production of soda ash, and can be implemented in the chemical and petrochemical industries.

Известен вихревой тепломассообменный аппарат, включающий корпус с контактной тарелкой, на которой установлены контактные элементы, выполненные в виде навитой трубы с завихрителями внутри, полости которого сообщаются с теплоносителем [авт. свид. СССР №1655532, 1991]. Это техническое решение является наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности признаков и достигаемому техническому эффекту, и потому выбрано в качестве прототипа. Недостатками данного известного технического решения является сравнительно малая поверхность теплопередачи и высокое гидравлическое сопротивление при больших нагрузках по жидкой и газовой фазе.Known vortex heat and mass transfer apparatus, comprising a housing with a contact plate, on which are mounted contact elements made in the form of a wound pipe with swirls inside, the cavities of which communicate with the coolant [ed. testimonial. USSR No. 1655532, 1991]. This technical solution is the closest to the claimed object in terms of features and achieved technical effect, and therefore is selected as a prototype. The disadvantages of this known technical solution is the relatively small heat transfer surface and high hydraulic resistance at high loads in the liquid and gas phase.

Целью настоящего изобретения является снижение гидравлического сопротивления и интенсификация тепломассообмена при больших нагрузках по жидкой и газовой фазе.The aim of the present invention is to reduce hydraulic resistance and the intensification of heat and mass transfer at high loads in the liquid and gas phase.

Декларируемая цель достигается тем, что в вихревом многоступенчатом тепломассообменном аппарате, включающем корпус с контактной тарелкой, на которой установлены контактные элементы, выполненные в виде навитой трубы с завихрителями внутри, завихритель содержит глухое верхнее основание с закрепленным на нем коаксиально переливным патрубком с гидрозатвором и снабжен газовым патрубком восходящего потока. При этом в нижней части контактного элемента витки выполнены с зазором и площадь образующихся щелей в 1,5-3,0 раза больше площади поперечного сечения газового патрубка, отношение диаметра газового патрубка к диаметру контактного элемента лежит в интервале 0,3-0,5, а высота контактного патрубка составляет 0,7-1,0 расстояния между тарелками. Контактный патрубок выполняется в виде оребренного внутри стакана с рубашкой, сечение которого может быть цилиндрическим, прямоугольным, овальным, многогранным с зазором между тарелкой 0,1-0,3 диаметра контактного элемента, завихритель же представляет собой набор пластин с углом наклона к касательной от 0 до 90°. В результате использования такого аппарата гидравлическое сопротивление снижается в 1,5...2,5 раз, а поверхность теплопередачи увеличивается в 1,5...2 раза. Следует особо отметить в этой связи, что вышеуказанные цифровые интервалы параметров заявляемого устройства являются оптимальными и при выходе за них технический эффект, указанный в декларируемой цели изобретения, либо в той или иной степени снижается, либо не достигается вовсе.The declared goal is achieved by the fact that in a vortex multistage heat and mass transfer apparatus, comprising a housing with a contact plate, on which contact elements are mounted, made in the form of a wound pipe with swirls inside, the swirler contains a blank top base with a coaxial overflow nozzle with a gas seal attached to it and is equipped with upstream pipe. At the same time, in the lower part of the contact element, the turns are made with a gap and the area of the formed slits is 1.5-3.0 times larger than the cross-sectional area of the gas pipe, the ratio of the diameter of the gas pipe to the diameter of the contact element is in the range of 0.3-0.5, and the height of the contact pipe is 0.7-1.0 the distance between the plates. The contact pipe is made in the form of a finned inside a glass with a shirt, the cross section of which can be cylindrical, rectangular, oval, multifaceted with a gap between the plate of 0.1-0.3 diameter of the contact element, the swirl is a set of plates with an angle of inclination to the tangent from 0 up to 90 °. As a result of using such an apparatus, the hydraulic resistance decreases by 1.5 ... 2.5 times, and the heat transfer surface increases by 1.5 ... 2 times. It should be especially noted in this regard that the above digital ranges of the parameters of the claimed device are optimal and when they go beyond them, the technical effect indicated in the declared objective of the invention either decreases to one degree or another or is not achieved at all.

В литературе до настоящего времени не описывался вихревой многоступенчатый тепломассообменный аппарат при больших нагрузках по жидкой и газовой фазе, где в качестве конструктивных элементов использовались бы контактные элементы с завихрителями внутри, и где завихритель, содержащий глухое верхнее основание с закрепленным на нем коаксиально переливным патрубком с гидрозатвором, был бы снабжен газовым патрубком восходящего потока с указанными выше характеристиками. Только что сказанное позволяет сделать заключение, что заявляемому техническому решению присущ первый критериальный признак изобретения в рамках Патентного Закона РФ - новизна. С другой стороны, знание характеристик устройства - прототипа и вносимых в него изменений (а именно, выполненных в виде навитой трубы контактных элементов с завихрителями внутри, причем завихритель содержит глухое верхнее основание с закрепленным на нем коаксиально переливным патрубком с гидрозатвором и снабжен газовым патрубком восходящего потока) не позволяет предсказать наблюдаемое существенное снижение гидравлического сопротивления, равно как и интенсификации тепломассообмена при больших нагрузках по жидкой и газовой фазе. Поэтому есть все основания утверждать, что заявленный объект не вытекает явным образом из известного на сегодняшний день в данной отрасли техники уровня и, следовательно, ему присущ второй критериальный признак изобретения - изобретательский уровень. И, наконец, узлы и детали заявляемого устройства, отличающие его от устройства - прототипа, без особого труда могут быть изготовлены и сравнительно просто вмонтированы в конструктивные узлы последнего, так что заявляемое устройство может быть собрано и реализовано в промышленности. Поэтому не вызывает сомнения, что заявляемый на предмет изобретения объект соответствует и третьему критериальному признаку изобретения - промышленная применимость.The literature has not yet described a vortex multistage heat and mass transfer apparatus at high loads in the liquid and gas phase, where contact elements with swirls inside would be used as structural elements, and where a swirl containing a blank top base with a coaxially overflow nozzle with a water seal fixed to it , would be equipped with a gas pipe upstream with the above characteristics. Just what has been said allows us to conclude that the claimed technical solution is characterized by the first criterial feature of the invention within the framework of the Patent Law of the Russian Federation - novelty. On the other hand, knowledge of the characteristics of the prototype device and the changes made to it (namely, made in the form of a wound pipe of contact elements with swirls inside, and the swirl contains a blank top base with a coaxially overflow nozzle with a water seal and is equipped with an upstream gas pipe ) does not allow to predict the observed significant decrease in hydraulic resistance, as well as the intensification of heat and mass transfer at high loads in the liquid and gas phase. Therefore, there is every reason to argue that the claimed object does not follow explicitly from the level that is currently known in the industry and, therefore, the second criterial feature of the invention is inherent in it - the inventive step. And finally, the nodes and parts of the claimed device, distinguishing it from the prototype device, can be easily manufactured and relatively simply mounted in the structural components of the latter, so that the claimed device can be assembled and implemented in industry. Therefore, there is no doubt that the claimed object of the invention corresponds to the third criterion feature of the invention - industrial applicability.

Заявляемый вихревой многоступенчатый тепломассообменный аппарат в одном из возможных вариантов представлен на фиг.1, в рамках которого контактный элемент выполнен в виде навитой трубы. Здесь же приведен общий вид данного устройства в разрезе вертикальной плоскостью, где оцифрованы следующие узлы и детали: корпус 1 с тарелками 2, 3, на которых расположены контактные элементы 4 в виде навитой трубы и завихрителями 5 с закрепленными на них коаксиально переливными патрубками 7 с гидрозатворами 8, газовыми патрубками восходящего потока 6, патрубков подвода 9 и отвода теплоносителя 10. На фиг.2 представлена конструкция контактного элемента, выполненного в виде стакана с рубашкой с аналогичной оцифровкой деталей, где позицией 11 показаны элементы оребрения внутренней поверхности стакана. На фиг.3 представлено сечение этого контактного элемента горизонтальной плоскостью, где символом α обозначен угол наклона пластин к касательной той окружности, относительно которой ориентированы эти пластины.The inventive vortex multistage heat and mass transfer apparatus in one of the possible options is presented in figure 1, in which the contact element is made in the form of a wound pipe. Here is a general view of this device in the context of a vertical plane, where the following components and details are digitized: body 1 with plates 2, 3, on which contact elements 4 are located in the form of a wound pipe and swirls 5 with coaxially overflow pipes 7 with hydraulic locks 8, gas pipes of the upward flow 6, pipes of the supply 9 and the removal of coolant 10. Figure 2 shows the design of the contact element, made in the form of a glass with a jacket with a similar digitization of parts, where the position 11 so far The elements of finning of the inner surface of the glass are given. Figure 3 shows a cross section of this contact element with a horizontal plane, where the symbol α denotes the angle of inclination of the plates to the tangent of the circle relative to which these plates are oriented.

Заявляемый аппарат работает следующим образом. Абсорбируемый газ поступает под тарелку 3 в газовый патрубок восходящего потока 6 и в тангенциальные сопла завихрителя 5 потока, а жидкость, выполняющая функцию сорбента, поступает на тарелку 2 и через переливные патрубки с гидрозатворами, подается в контактный патрубок 4. Поступающий же в аппарат абсорбируемый газ диспергирует жидкую фазу, придавая последней вращательно-поступательное движение. Образовавшийся газожидкостной поток движется вниз по внутренней стенке контактных патрубков 4, в нижней части которых происходит его сепарация. При этом основная часть жидкостного потока стекает на тарелку 3. Процесс абсорбции аммиака сопровождается выделением значительного количества тепла, и для увеличения ее степени контактный патрубок выполнен в виде навитой трубы с патрубками подвода 9 и отвода 10 хладагента. Такая конструкция патрубка позволяет максимально интенсифицировать процесс массообмена. Жидкость многократно контактирует с газом по всей высоте контактного патрубка, абсорбируется, а затем по переливным патрубкам с гидрозатворами стекает на нижележащие ступени, работа которых аналогична работе описанной ступени.The inventive apparatus operates as follows. The absorbed gas enters under the plate 3 into the gas pipe of the upward flow 6 and into the tangential nozzles of the swirl flow 5, and the liquid acting as a sorbent enters into the plate 2 and through the overflow pipes with hydraulic locks is supplied to the contact pipe 4. The absorbed gas entering the apparatus disperses the liquid phase, giving the latter a rotational-translational motion. The resulting gas-liquid flow moves down the inner wall of the contact pipes 4, in the lower part of which it is separated. In this case, the main part of the liquid flow flows onto the plate 3. The process of absorption of ammonia is accompanied by the release of a significant amount of heat, and to increase its degree, the contact pipe is made in the form of a wound pipe with pipes for supplying 9 and removal of 10 refrigerant. This design of the pipe allows you to maximize the process of mass transfer. The liquid repeatedly contacts the gas over the entire height of the contact pipe, is absorbed, and then flows downstream of the overflow pipes with hydraulic locks to the lower stages, whose operation is similar to the operation of the described stage.

Используя режим движения газожидкостного потока вниз и выполняя патрубок в виде навитой трубы, можно значительно увеличить контактную поверхность теплообмена, интенсифицировать процесс абсорбции аммиака и в целом снизить гидравлическое сопротивление 1,5...2,5 раз (см. таблицу).Using the mode of gas-liquid flow movement downward and making a pipe in the form of a coiled pipe, it is possible to significantly increase the contact surface of heat transfer, intensify the process of absorption of ammonia, and generally reduce the hydraulic resistance 1.5 ... 2.5 times (see table).

Подобное конструктивное выполнение патрубка позволяет осуществить интенсивную теплопередачу между реагирующими компонентами и теплоносителем. При этом повышается интенсивность тепломассообменного процесса, сопровождающегося выделением (поглощением) тепла при реакции взаимодействия компонентов, благодаря чему интенсифицируются процессы поглощения химических реагентов и увеличивается выход целевого продукта. Использование режима движения газожидкостного потока вниз по внутренним стенкам контактного патрубка позволяет интенсифицировать массообмен, снизить энергозатраты при больших массовых нагрузках по жидкой и газовой фазе. Кроме того, для увеличения поверхности теплообмена при абсорбции аммиака контактный патрубок, изображенный на фиг.2, может быть выполнен в виде оребренного внутри стакана с рубашкой, сечение которого может быть цилиндрическим, прямоугольным, овальным или же многогранным. Именно благодаря такому выполнению патрубка можно максимально увеличить интенсивность теплопередачи, а заодно и повысить эффективность тепломассообмена реагирующих компонентов.Such a design of the pipe allows for intensive heat transfer between the reacting components and the coolant. This increases the intensity of the heat and mass transfer process, accompanied by the release (absorption) of heat during the reaction of the interaction of the components, which intensifies the absorption of chemical reagents and increases the yield of the target product. Using the regime of gas-liquid flow down the inner walls of the contact pipe allows you to intensify mass transfer, reduce energy consumption at high mass loads in the liquid and gas phase. In addition, to increase the heat transfer surface during the absorption of ammonia, the contact pipe shown in FIG. 2 can be made in the form of a jacketed rib inside a glass, the cross section of which can be cylindrical, rectangular, oval or multi-faceted. It is thanks to this embodiment of the nozzle that the heat transfer intensity can be maximized, and at the same time, the heat and mass transfer efficiency of the reacting components can be increased.

Таким образом, применение предлагаемого аппарата по сравнению с прототипом позволяет интенсифицировать процесс тепломассообмена, значительно снизив при этом энергозатраты в случае больших массовых нагрузках по жидкой и газовой фазе.Thus, the use of the proposed apparatus in comparison with the prototype allows to intensify the process of heat and mass transfer, significantly reducing energy consumption in case of large mass loads in the liquid and gas phase.

Claims

1. Vortex multistage heat and mass transfer apparatus, comprising a housing with contact plates, on which contact elements are mounted, made in the form of nozzles with swirls inside, characterized in that the swirl contains a blank top base with a coaxially overflow nozzle and a water trap fixed to it and is equipped with an ascending gas pipe flow, and the ratio of the diameter of the gas pipe to the diameter of the contact element is 0.3-0.5, and the height of the contact element is 0.7-1.0 the distance between do contact plates.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the contact element is made in the form of a wound pipe, while in the lower part of the contact element the coils are made with a gap and the area of the resulting slots is 1.5-3.0 times larger than the cross-sectional area of the gas pipe .

3. The apparatus according to claim 1, characterized in that the contact element is made in the form of a ribbed inside a glass with a shirt, the cross section of which can be cylindrical, rectangular, oval, multifaceted, and a gap is established between the contact element and the lower plate, the value of which is 0, 1-0.3 diameter of the contact element.

4. The apparatus according to claim 1, characterized in that the swirler is made in the form of a set of plates, and the angle of inclination of the plates to the tangent is 0-90 °.