RU2321444C2

RU2321444C2 - Heat and mass exchange apparatus

Info

Publication number: RU2321444C2
Application number: RU2004121548/15A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Бердников (RU); Владимир Иванович Бердников; Дмитрий Владимирович Бердников (RU); Дмитрий Владимирович Бердников
Original assignee: Владимир Иванович Бердников; Дмитрий Владимирович Бердников
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2008-04-10
Also published as: RU2004121548A

Abstract

FIELD: chemical mechanical engineering.

SUBSTANCE: heat and mass exchange apparatus comprises cylindrical horizontal housing provided with flanges that receive branch pipes for supplying and discharging of gas and branch pipes for supplying and discharging of liquid, rotating shaft provided with alternating separating ring baffles around which the shell is mounted with a spaced relation to the cylindrical housing. The baffles form sections that receive transverse solid disk The ring contact disks are interposed between the solid disks with a spaced relation to the housing. The shaft is made of two half-axles. From the side of the gas outlet the half-axle is provided with opening that connects the first section with the branch pipe for discharging gas mounted on the flange of the apparatus. The hollow shaft receives the branch pipe for supplying liquid that is mounted coaxially to the shaft. The end separating ring baffle is provided with openings from the side of liquid discharge. The heat and mass exchange apparatus is inclined to the branch pipe for discharging liquid at an angle from 2 to 10°. All the disks and the shell are partially submerged into the liquid, and when rotating they form a Z-shaped rotating radial-axial parallel counterflow of gas and liquid.

EFFECT: enhanced efficiency and reduced sizes.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к процессам и аппаратам химического машиностроения и может быть использовано в энергетической, нефтегазовой, химической, пищевой и других отраслях промышленности для мокрой очистки газов, абсорбции, концентрации и т.п. процессам в системе газ-жидкость, в том числе для создания систем экологической защиты.The invention relates to processes and apparatuses of chemical engineering and can be used in the energy, oil and gas, chemical, food and other industries for wet gas purification, absorption, concentration, etc. processes in the gas-liquid system, including the creation of environmental protection systems.

Из уровня техники широко известно устройство для проведения тепло- и массообменного процесса путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, протекающего на поверхности капель или пленки жидкости в полых (безнасадочных) тарельчатых (каскадных), насадочных пленочных колоннах (см. А.Н.Плановский, П.И.Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., Химия, 1972, с.322, 323, 329-331, 373).A device is widely known from the prior art for carrying out a heat and mass transfer process by contacting a gas stream with a liquid stream flowing on the surface of a liquid droplet or film in hollow (non-nozzle) plate (cascade), packed film columns (see A.N. Planovsky , P. I. Nikolayev. Processes and Apparatuses of Chemical and Petrochemical Technology. M., Chemistry, 1972, p. 322, 323, 329-331, 373).

При этом интенсивность тепло- и массообмена определяется скоростями движения потоков газа и жидкости и в значительной мере зависит от величины и формы поверхности контактирования, однако увеличение интенсивности тепло- и массообмена приводит к росту газодинамического сопротивления, уносу капель жидкости, увеличению "успокоительных камер" и, как следствие, усложнению конструкции и увеличению габаритов тепло- и массообменных аппаратов.In this case, the intensity of heat and mass transfer is determined by the velocities of the gas and liquid flows and largely depends on the size and shape of the contacting surface, however, an increase in the intensity of heat and mass transfer leads to an increase in gas-dynamic resistance, entrainment of liquid droplets, an increase in "stilling chambers" and, as a consequence, the complexity of the design and increase the size of heat and mass transfer apparatus.

Близким к изобретению является устройство для проведения процессов тепло- и массообмена путем контактного взаимодействия потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков, частично погруженных в жидкость (см. Авт. св. СССР 223766, кл. В01D 45/10, 1968 г.).Close to the invention is a device for carrying out heat and mass transfer processes by contacting a gas stream with a liquid stream flowing in the form of a film on the surface of rotating disks partially immersed in a liquid (see Aut. St. USSR 223766, class B01D 45/10 , 1968).

Основным недостатком данного устройства является то, что интенсивность контактного взаимодействия (газового потока с жидкостью - пленкой на поверхности дисков) определяется скоростью газового потока и частотой вращения дисков, увеличение которых ограничено возможностью срыва пленки и уносом капель.The main disadvantage of this device is that the intensity of contact interaction (gas flow with a liquid - a film on the surface of the disks) is determined by the gas flow rate and the rotational speed of the disks, the increase of which is limited by the possibility of film breakdown and droplet entrainment.

Известны тепло-массообменные аппараты (ТМОА), содержащие корпус с газовым каналом и патрубками для подвода и отвода газа, нижняя часть которого заполнена жидкостью, и установленный в корпусе горизонтальный вал с контактными дисками, частично погруженными в жидкость, который снабжен приводом для вращения (см. Авт. СССР 262096, кл. В01J 8/10, 1970 г.; Авт. св. СССР 971437, кл. В01D 45/18, 1981 г.). При этом выполнение контактных дисков гладкими обеспечивает осевое течение газового потока с достаточно большой скоростью, но выполнение контактных дисков в виде сеток, ячеистой структуры или лопастей не дает возможности существенно развивать поверхность контакта фаз и одновременно приводит к избыточному захвату жидкости и загромождению каналов протока газов.Heat and mass transfer apparatuses (TMOA) are known, containing a housing with a gas channel and nozzles for supplying and discharging gas, the lower part of which is filled with liquid, and a horizontal shaft installed in the housing with contact disks partially immersed in a liquid, which is equipped with a drive for rotation (see Authors of the USSR 262096, class B01J 8/10, 1970; Authors of the former USSR 971437, class B01D 45/18, 1981). At the same time, making contact disks smooth provides an axial flow of gas flow with a sufficiently high speed, but the design of contact disks in the form of grids, a cellular structure, or blades does not make it possible to significantly develop the contact surface of the phases and, at the same time, leads to excessive liquid entrainment and clutter of the gas flow channels.

Известен также тепло-массообменный аппарат, содержащий корпус с газовым каналом и патрубками для подвода и отвода газа, в нижней части которого расположена ванна с жидкостью, и вращающийся горизонтальный вал с приводом, снабженный дисками, частично погруженными в жидкость (см. Авт. св. СССР 223766, кл. В01D 45/10, 1968 г.).A heat and mass transfer apparatus is also known, comprising a housing with a gas channel and nozzles for supplying and discharging gas, in the lower part of which there is a bath with liquid, and a rotating horizontal shaft with a drive equipped with disks partially immersed in liquid (see Auth. USSR 223766, class B01D 45/10, 1968).

Вал в данном аппарате установлен поперек газового канала, т.е. В плоскости, направленной поперек газового потока, что увеличивает поверхность контакта газа с жидкостью и формирует продольное обтекание дисков с низким гидравлическим сопротивлением, но ограничивает функциональные возможности устройства, т.к. не позволяет эффективно использовать его для массообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с жидкостью.The shaft in this unit is installed across the gas channel, i.e. In a plane directed across the gas flow, which increases the contact surface of the gas with the liquid and forms a longitudinal flow around the disks with low hydraulic resistance, but limits the functionality of the device, because It does not allow to use it effectively for mass transfer processes requiring extended contact of gas with a liquid.

Близким к предлагаемому изобретению следует отнести тепло- и массообменный аппарат (патент РФ №2001134192/12 от 19.12.2001), содержащий корпус, состоящий из цилиндрической части корпуса и двух фланцев, в верхней части которых установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный набором разделительных кольцевых перегородок, установленных между цилиндрических вставок и скрепленных между собой с внутренней стороны цилиндрических вставок продольными шпильками, закрепленными с одной стороны в крайней разделительной кольцевой перегородке набора, а с другой - во фланце корпуса и образующих секции, в каждой из которой на вращающемся вале установлен сплошной диск, на боках которого закреплены пакеты кольцевых контактных дисков, установленные с зазором относительно цилиндрических вставок, вала, друг друга и разделительных кольцевых перегородок и частично погруженные в жидкость, формирующие зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потока газа по проточной части аппарата. При этом процесс тепло- и массообмена проводят в условиях безотрывного течения пленки жидкости при контактном взаимодействии потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков. Данный аппарат технологичен, обладает (как ректификационный аппарат) высокой эффективностью (как и аппарат по патенту РФ №2152245), малыми габаритами и низкой стоимостью.Close to the present invention should include heat and mass transfer apparatus (RF patent No. 20011119192/12 of 12.19.2001), comprising a housing consisting of a cylindrical part of the housing and two flanges, in the upper part of which are installed nozzles for supplying and discharging gas, and lower - nozzles for supplying and discharging fluid, equipped with a set of dividing annular partitions installed between the cylindrical inserts and fastened to each other on the inside of the cylindrical inserts by longitudinal studs fixed on one side to the outer dividing ring partition of the set, and on the other, in the flange of the housing and forming sections, in each of which a solid disk is mounted on the rotating shaft, on the sides of which are fixed packets of ring contact disks installed with a gap relative to the cylindrical inserts, shaft, each other and the separation annular partitions and partially immersed in a liquid, forming a zigzag radial-axial, sequentially parallel flow of gas flow along the flow part of the apparatus. In this case, the process of heat and mass transfer is carried out under conditions of an uninterrupted flow of a liquid film in contact interaction of a gas stream with a liquid stream flowing in the form of a film on the surface of rotating disks. This apparatus is technological, has (as a distillation apparatus) high efficiency (like the apparatus according to the patent of the Russian Federation No. 2152245), small dimensions and low cost.

Однако, как показала практика, при вращении вала с контактными пакетами (при определенных (критических) частотах вращения вала, когда центробежное ускорение жидкости в междисковом пространстве примерно равно гравитационному ускорению) происходит "захват" жидкости между контактными дисками с формированием кольцевых циркуляционных потоков, которые с одной стороны, препятствуют осевому протоку жидкости, а с другой стороны - может приводить к загромождению зазоров между контактными дисками и росту газодинамического сопротивления проточной части аппарата, образованию пузырей, при схлопывании которых образуется аэрозоль. Последнее обстоятельство приводит к снижению качества абсорбции и выносу части аэрозоли с очищенным воздухом, что крайне нежелательно. Кроме того, при работе на критических (средних) и повышенных оборотах дисков захваченная дисками жидкость срывается под действием центробежных сил и (или газовым потоком) с их поверхности с выносом капель, что приводит к капельному переносу между секциями и выносу капель вместе с очищенным газом (воздухом).However, as practice has shown, during the rotation of the shaft with contact packets (at certain (critical) frequencies of rotation of the shaft, when the centrifugal acceleration of the fluid in the interdisk space is approximately equal to gravitational acceleration), the fluid is “captured” between the contact disks with the formation of circular circulation flows, which on the one hand, they prevent the axial flow of fluid, and on the other hand, it can lead to clutter of the gaps between the contact disks and an increase in the gasdynamic flow resistance part of the apparatus, the formation of bubbles, the collapse of which forms an aerosol. The latter circumstance leads to a decrease in the quality of absorption and the removal of part of the aerosol with purified air, which is highly undesirable. In addition, when operating at critical (medium) and increased speeds of the disks, the liquid captured by the disks breaks off under the action of centrifugal forces and (or gas flow) from their surface with droplet removal, which leads to droplet transfer between sections and the removal of droplets along with purified gas ( by air).

Попытка работы (в режиме абсорбции) на сверхкритических (повышенных) оборотах дисков (в режиме повышенной производительности аппаратав), обеспечивающих под действием центробежных сил гарантированный снос захваченной контактными дисками (КД) жидкости к периферии (на внутреннюю поверхность цилиндрических вставок), с одной стороны, приводит к росту интенсивности тепломассообменных процессов на поверхностях контактных дисков (что хорошо для ректификационных и десорбционных аппаратов), но применительно к абсорбционным аппаратам вызывает избыточную турбулентность абсорбента (жидкости,) при взаимодействии с продольными шпильками (размещенными с внутренней стороны цилиндрических вставок) и неподвижными стенками цилиндрических вставок, что приводит к дегазации абсорбента в последних секциях (по ходу течения абсорбента, т.е. в секциях, где теоретически должна достигаться наивысшая "предельная" концентрация фракций легких углеводородов (ФЛУ) в абсорбенте (особенно при работе на режимах предельно низкого расхода абсорбента)). Это обстоятельство приводит либо к снижению полноты улавливания ФЛУ, либо к необходимости увеличения расхода абсорбента и, соответственно, значительному увеличению энергетических затрат на прокачку абсорбента и проведение последующего процесса десорбции (восстановления) абсорбента, росту габаритов абсорбционного и десорбционных блоков.An attempt to work (in the absorption mode) at supercritical (increased) revolutions of the disks (in the mode of increased productivity of the apparatus), which, under the action of centrifugal forces, ensures the guaranteed drift of the liquid captured by the contact disks (CD) to the periphery (on the inner surface of the cylindrical inserts), on the one hand, leads to an increase in the intensity of heat and mass transfer processes on the surfaces of contact disks (which is good for distillation and desorption apparatuses), but with respect to absorption apparatus it causes excessive turbulence of the absorbent (liquid) when interacting with longitudinal studs (located on the inside of the cylindrical inserts) and the fixed walls of the cylindrical inserts, which leads to degassing of the absorbent in the last sections (along the course of the absorbent, i.e. in sections where theoretically should the highest “ultimate” concentration of light hydrocarbon fractions (FLU) in the absorbent is achieved (especially when operating at extremely low absorbent consumption)). This circumstance leads either to a decrease in the completeness of fluorine capture, or to the need to increase the consumption of absorbent material and, accordingly, to significantly increase the energy cost of pumping the absorbent and conducting the subsequent process of desorption (recovery) of the absorbent, and increase the dimensions of the absorption and desorption blocks.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению следует отнести тепло-массообменный аппарат (прототип - см. патент РФ №2152245, кл. В01D 53/18, 47/18 от 29.06.98 г.), содержащий цилиндрический корпус, в верхней части которого установлены патрубки для подвода и отвода газа, а в нижней - патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный вращающимся валом с установленными на нем соосно корпусу и валу и с возможностью совместного вращения с ним последовательно чередующимися поперечными сплошными дисками и разделительными кольцевыми перегородками с установленными по их внешнему диаметру (газодинамическими, гидродинамическими или контактными) уплотнениями, между которыми установлены пакеты, состоящие из кольцевых контактных дисков, установленными с зазором относительно корпуса, вала и друг друга и частично погруженными в жидкость и которые совместно формируют зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потоков газа. При этом процесс тепло- и массообмена проводят в условиях безотрывного течения пленки жидкости при контактном взаимодействии потока газа с потоком жидкости, стекающей в виде пленки по поверхности вращающихся дисков. Данный аппарат технологичен, обладает высокой эффективностью, малыми габаритами и низкой стоимостью.Closest to the proposed invention should include heat and mass transfer apparatus (prototype - see RF patent No. 2152245, class B01D 53/18, 47/18 from 06/29/98), containing a cylindrical body, in the upper part of which there are pipes gas inlet and outlet, and in the bottom - nozzles for supplying and discharging liquid, equipped with a rotating shaft mounted coaxially with the housing and shaft and with the possibility of joint rotation with it of successively alternating transverse solid disks and dividing ring partitions with the installation according to their outer diameter (gas-dynamic, hydrodynamic, or contact) seals, between which there are packages consisting of annular contact disks installed with a gap relative to the housing, shaft, and each other and partially immersed in the liquid and which together form a zigzag radial-axial, sequentially -parallel flow of gas flows. In this case, the process of heat and mass transfer is carried out under conditions of an uninterrupted flow of a liquid film in contact interaction of a gas stream with a liquid stream flowing in the form of a film on the surface of rotating disks. This unit is technological, has high efficiency, small size and low cost.

Однако, как показала практика, область использования таких аппаратов несколько ограничена по производительности, что вызвано сложностью обработки удлиненных цилиндрических поверхностей большего диаметра (более 400 мм). Последнее обстоятельство (на высоко производительных ректификационных аппаратах) может приводить к снижению качества разгонки по фракциям.However, as practice has shown, the area of use of such devices is somewhat limited in performance, which is caused by the complexity of processing elongated cylindrical surfaces of larger diameter (more than 400 mm). The latter circumstance (on highly productive distillation apparatus) can lead to a decrease in the quality of fractional distillation.

Кроме того, данному техническому решению, как и аппарату по патенту РФ №2001134192/12 от 19.12.2001 и заявке №2004101362 от 21.01. 2004 г., при работе на критических (средних) и повышенных оборотах дисков, свойственны недостатки, связанные с избыточной турбулентностью жидкости при взаимодействии с неподвижной стенкой, сносом капель с поверхности дисков, что приводит к капельному переносу между секциями, снижает эффективность процессов абсорбции.In addition, this technical solution, as well as the apparatus according to the patent of the Russian Federation No. 20011134192/12 of 12.19.2001 and application No. 2004101362 of 21.01. 2004, when working at critical (medium) and increased disk speeds, there are disadvantages associated with excessive fluid turbulence when interacting with a fixed wall, the drift of droplets from the surface of the disks, which leads to drip transfer between sections, reduces the efficiency of absorption processes.

Изобретение направлено на создание особо компактных, малогабаритных, высокоэффективных, дешевых контактных тепло-массообменных аппаратов для абсорбции, десорбции, концентрации, улавливания и рекуперации паров углеводородов, спиртов, аммиака и других подобных процессов с расширенными возможностями по полноте улавливания, производительности и функциональным возможностям при увеличении коэффициента полезного использования объема и поверхности ТМОА для контактного взаимодействия газа с пленкой жидкости, одновременном устранении капельного переноса и снижении турбулентности жидкости, т.е. организации более эффективного процесса тепло-массообмена при одновременном уменьшении металлоемкости, габаритов и, как следствие, резкого повышения технологичности и снижения стоимости изготовления дисковых ТМОА.The invention is directed to the creation of particularly compact, small-sized, highly efficient, cheap contact heat and mass transfer apparatuses for absorption, desorption, concentration, capture and recovery of hydrocarbon vapors, alcohols, ammonia and other similar processes with expanded capabilities for the completeness of capture, productivity and functionality while increasing the coefficient of useful use of the volume and surface of TMOA for contact interaction of a gas with a liquid film, while eliminating cap effective transfer and reduction of fluid turbulence, i.e. organization of a more efficient process of heat and mass transfer while reducing metal consumption, dimensions and, as a result, a sharp increase in manufacturability and reduce the cost of manufacturing disk TMOA.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в тепло- и массообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус с днищем и, как минимум, одним съемным фланцем, в которых установлены патрубки для подвода и отвода парогазовой смеси и патрубки для подвода и отвода жидкости, снабженный вращающимся валом с установленными на нем соосно корпусу и валу и с возможностью совместного вращения с ним последовательно чередующимися разделительными кольцевыми перегородками, образующими секции, и поперечными сплошными перегородками (меньшего диаметра), между которыми установлены контактные пакеты, состоящие из кольцевых контактных дисков, которые установлены с зазором относительно корпуса, вала, друг друга, и сплошными кольцевыми перегородками, которые жестко скреплены между собой продольными шпильками, закрепленными в крайних разделительных кольцевых перегородках с возможностью вращения с валом и которые все вместе частично погружены в жидкость и совместно формируют зигзагообразное, радиально-осевое, последовательно-параллельное, противоточное течение потоков газа и жидкости, согласно изобретению вокруг разделительных кольцевых перегородок установлена с зазором относительно цилиндрического корпуса аппарата обечайка, которая жестко соединена, как минимум, с крайними разделительными кольцевыми перегородками и которая совместно с валом, разделительными кольцевыми перегородками, поперечными сплошными перегородками, контактными пакетами и продольными шпильками образует технологический корпус, вал выполнен из двух полуосей, при этом в полуоси со стороны выхода газа выполнено отверстие, так что один конец полости отверстия соединен с последней секцией по ходу движения газа, а второй - с патрубком отвода газа, установленным на фланце аппарата, при этом внутри полого вала и коаксиально ему установлен патрубок подвода абсорбента, в крайней разделительной кольцевой перегородке со стороны стока жидкости выполнены отверстия, а сам тепло- и массообменный аппарат установлен с наклоном от 2 до 10° (градусов) в сторону патрубка слива жидкости.The solution to this problem is provided by the fact that in the heat and mass transfer apparatus containing a cylindrical body with a bottom and at least one removable flange, in which there are nozzles for supplying and discharging a gas-vapor mixture and nozzles for supplying and discharging a liquid, equipped with a rotating shaft with mounted on it coaxially with the housing and shaft and with the possibility of joint rotation with it sequentially alternating dividing annular partitions forming sections, and transverse solid partitions (smaller diameter), between which contact packages are installed, consisting of annular contact disks, which are installed with a gap relative to the housing, shaft, each other, and continuous annular partitions, which are rigidly fastened to each other by longitudinal pins, mounted in the extreme dividing annular partitions with the possibility of rotation with the shaft and which together are partially immersed in a liquid and together form a zigzag, radial-axial, sequentially parallel, countercurrent flow of gas and liquid flows According to the invention, around the annular dividing partitions, a shell is installed with a gap relative to the cylindrical body of the apparatus of the shell, which is rigidly connected to at least the extreme dividing annular partitions and which together with the shaft, dividing annular partitions, transverse solid partitions, contact bags and longitudinal pins forms a technological the housing, the shaft is made of two half shafts, while a hole is made in the half shafts from the gas outlet side, so that one the end of the cavity of the hole is connected to the last section in the direction of gas flow, and the second to the gas outlet pipe installed on the apparatus flange, while the absorbent supply pipe is installed inside the hollow shaft and coaxially to it, holes are made in the outermost annular partition from the liquid drain side, and the heat and mass transfer apparatus itself is installed with an inclination of 2 to 10 ° (degrees) in the direction of the fluid drain pipe.

Для повышения эффективности тепло- и массообменна на контактных дисках могут быть выполнены кольцевые гофры, при этом контактные диски с гофрами устанавливаются так, что их поверхности эквидестантны.To increase the efficiency of heat and mass transfer, annular corrugations can be made on the contact disks, while contact disks with corrugations are installed so that their surfaces are equidistant.

С целью увеличения жесткости контактных дисков, кольцевые гофры могут быть выполнены прерывистыми.In order to increase the stiffness of the contact disks, the annular corrugations can be made intermittent.

С целью увеличения плотности компоновки и уменьшения габаритов тепло- и массообменных аппаратов, патрубок подвода газа (парогазовой смеси) может быть установлен на корпусе со стороны фланца, в котором установлен патрубок отвода газа.In order to increase the density of the arrangement and reduce the dimensions of heat and mass transfer apparatuses, a gas supply pipe (gas-vapor mixture) can be installed on the housing from the flange side, in which a gas discharge pipe is installed.

С целью упрощения сборки установки, контактные пакеты предварительно собираются в виде отдельных узлов, состоящих из поперечного сплошного диска с установленными по бокам кольцевыми контактными дисками, между которыми на (трубчатых) клепках с центральными отверстиями для продольных шпилек расположены установочные шайбы, при этом все диски жестко скрепленных между собой клепками.In order to simplify the assembly of the installation, the contact packages are pre-assembled as separate units consisting of a transverse solid disk with ring contact disks mounted on the sides, between which mounting washers are located on (tubular) rivets with central holes for the longitudinal studs, while all the disks are rigidly stapled together.

На фиг.1 схематично представлен общий вид тепло-массообменного аппарата; на фиг.2 - вид ТМОА по сечению А-А (фиг.1); на фиг.3 представлен увеличенный фрагмент контактного пакета в составе ТМОА.Figure 1 schematically shows a General view of the heat-mass transfer apparatus; figure 2 is a view of TMOA in section AA (figure 1); figure 3 presents an enlarged fragment of the contact package in the composition of the TMOA.

Тепло- массообменный аппарат (см. фиг.1-3) содержит цилиндрический корпус 1, в котором с возможностью вращения установлен горизонтальный вал, состоящий из полуоси 2 с отверстием 3 и полуоси 4, установленных в блоках подшипников 5 и 6 во фланце 7 и днище 8. Внутри цилиндрического корпуса 1 расположен набор разделительных кольцевых перегородок 9, крайние из которых 10 и 11 жестко соединены с полуосями 2 и 4. С внешней стороны разделительных кольцевых перегородок 9 установлена с зазором относительно цилиндрического корпуса 1 обечайка 12, которая жестко соединена, как минимум, с крайними разделительными кольцевыми перегородками 10 и 11.The heat and mass transfer apparatus (see Figs. 1-3) comprises a cylindrical housing 1, in which a horizontal shaft is mounted rotatably, consisting of a half shaft 2 with an opening 3 and a half shaft 4 installed in bearing blocks 5 and 6 in the flange 7 and the bottom 8. Inside the cylindrical body 1 there is a set of dividing annular partitions 9, the last of which 10 and 11 are rigidly connected to the half shafts 2 and 4. On the outside of the dividing annular partitions 9 is installed with a gap relative to the cylindrical body 1 shell 12, which is rigidly with unified, at least, with the extreme dividing ring partitions 10 and 11.

Разделительные кольцевые перегородки 9, 10 и 11 совместно с цилиндрической обечайкой 12 образуют секции 13, в которых установлены поперечные сплошные диски 14, по бокам которых установлены контактные пакеты 15, набранные из кольцевых контактных дисков 16 и которые жестко скреплены между собой путем стягивания продольными шпильками 17 (фиг.2, 3), закрепленными в крайних разделительных кольцевых перегородках 10 и 11, жестко установленными на полуосях 2 и 4. Зазор между контактными дисками 16, разделительными кольцевыми перегородками 9, 10, 11 и поперечными сплошными дисками 14 обеспечивается установочными шайбами 18 (см. фиг.3).The dividing ring partitions 9, 10 and 11 together with the cylindrical shell 12 form sections 13 in which transverse solid disks 14 are installed, on the sides of which are mounted contact bags 15, assembled from ring contact disks 16 and which are rigidly fastened together by tightening with longitudinal studs 17 (figure 2, 3), fixed in the extreme dividing ring partitions 10 and 11, rigidly mounted on the axles 2 and 4. The gap between the contact disks 16, the dividing ring partitions 9, 10, 11 and transverse ploshnymi discs 14 provided shims 18 (see FIG. 3).

Поперечные сплошные диски 14 могут быть дополнительно закреплены на удлиненной полуоси 4 распорными втулками 19. В верхней части корпуса 1 между обечайкой 12 образован продольный газовый канал 20 (в верхней части корпуса) с патрубком 21 для подвода газа, а в нижней части образован жидкостной канал 22 с выходным патрубком 23 для отвода жидкости. Вращение горизонтального вала с разделительными кольцевыми перегородками 9, кольцевыми контактными дисками 16, обечайкой 12, поперечными сплошными дисками 14, кольцевыми контактными дисками 16, образующими технологический корпус 24, обеспечивается, например, приводом 25.The transverse solid disks 14 can be additionally mounted on the elongated half shaft 4 by spacer bushes 19. In the upper part of the housing 1 between the shell 12 a longitudinal gas channel 20 is formed (in the upper part of the housing) with a pipe 21 for supplying gas, and a liquid channel 22 is formed in the lower part with outlet pipe 23 for draining fluid. The rotation of the horizontal shaft with dividing annular partitions 9, annular contact disks 16, shell 12, transverse solid disks 14, annular contact disks 16, forming a technological housing 24, is provided, for example, by a drive 25.

С целью упрощения сборки установки, контактные пакеты 15 предварительно собираются в виде отдельных узлов (см. фиг.3), состоящих из кольцевых контактных дисков 16, установочных шайб 18, поперечного сплошного диска 14, жестко скрепленных между собой (трубчатыми) клепками 26 с центральными отверстиями для продольных шпилек 17.In order to simplify the assembly of the installation, the contact packets 15 are pre-assembled as separate units (see Fig. 3), consisting of ring contact disks 16, mounting washers 18, a transverse solid disk 14, rigidly fastened together (tubular) rivets 26 with central holes for longitudinal studs 17.

Основной рабочий газовый канал 27 в технологическом корпусе 24 образован зазорами между обечайкой 12, поперечными сплошными дисками 14, кольцевыми контактными дисками 16 и разделительными кольцевыми перегородками 9, формирующими многоходовое зигзагообразное, вращательное, радиально-осевое, последовательно-параллельное течение потока газа. Аналогично в нижней части технологического корпуса образован (противоточный) жидкостной канал 28. Отвод газа (парогазовой смеси) из технологического корпуса 24 осуществляется через патрубок отвода газа 29. Подвод жидкости в технологический корпус осуществляется по патрубку 30, установленному коаксиально в отверстии 3 полуоси 2 (в канале отвода газа)The main working gas channel 27 in the technological building 24 is formed by the gaps between the shell 12, the transverse solid disks 14, the annular contact disks 16 and the dividing annular partitions 9, forming a multi-way zigzag, rotational, radial-axial, sequentially parallel gas flow. Similarly, a (countercurrent) liquid channel 28 is formed in the lower part of the technological case. The gas (vapor-gas mixture) is removed from the technological case 24 through the gas outlet pipe 29. The liquid is supplied to the technological case through the pipe 30 installed coaxially in the hole 3 of the half shaft 2 (in gas outlet channel)

Для повышения эффективности тепло- и массообменна на контактных дисках могут быть выполнены кольцевые гофры 31 (см. фиг.3), при этом контактные диски с гофрами устанавливаются так, что их поверхности эквидестантны. Данное конструктивное решение позволяет на 30% увеличить зазор между дисками без увеличения захвата жидкости и снизить газодинамическое сопротивление.To increase the efficiency of heat and mass transfer on the contact disks, annular corrugations 31 can be made (see Fig. 3), while contact disks with corrugations are installed so that their surfaces are equidistant. This design solution allows you to 30% increase the gap between the disks without increasing the capture of fluid and reduce gas-dynamic resistance.

С целью увеличения жесткости контактных дисков кольцевые гофры могут быть выполнены прерывистыми.In order to increase the stiffness of the contact disks, the annular corrugations can be made intermittent.

С целью увеличения плотности компоновки и уменьшения габаритов тепло- и массообменных аппаратов патрубок подвода газа 21 (парогазовой смеси) может быть установлен на корпусе со стороны фланца, в котором установлен патрубок отвода газа.In order to increase the density of the layout and reduce the dimensions of the heat and mass transfer apparatus, the gas supply pipe 21 (gas-vapor mixture) can be installed on the housing from the flange side in which the gas discharge pipe is installed.

Процесс тепло- и массообмена (например, применительно к абсорбционному аппарату для улавливания паров углеводородов) осуществляется следующим образом.The process of heat and mass transfer (for example, in relation to an absorption apparatus for trapping hydrocarbon vapors) is as follows.

Поток газа (паровоздушной смеси, содержащей легкие фракции углеводородов) поступает в газовый канал 20 через патрубок 21, проходит по каналу, контактируя с смоченной жидкостью (абсорбентом - летним дизельным топливом (ДТ)) поверхностью вращающейся обечайки, далее через отверстия 32 в разделительной кольцевой перегородке 10 поступает в рабочий газовый канал 27, где протекает по радиальным зазорам первого пакета кольцевых контактных дисков 15, центральное отверстие разделительной кольцевой перегородки 9, по радиальным зазорам второго пакета кольцевых контактных дисков 15 поступает во вторую секцию (вращающегося технологического корпуса), далее паровоздушная смесь разворачивается на 180 и поступает в радиальные зазоры второго пакета вращающихся кольцевых контактных дисков (между поперечной перегородкой диска 11 и разделительной кольцевой перегородкой 9) и т.д., вступая в контактное взаимодействие с потоком жидкости (охлажденного абсорбента - ДТ), стекающей в виде пленки с поверхности вращающихся дисков 16, 14 и 9 и обечайки 12, которые при вращении частично (до нижнего уровня центрального отверстия в разделительной кольцевой перегородке 9) погружаются в смачивающую их жидкость из жидкостного канала 28. Очищенный газ (воздух) выводится из аппарата через отверстие 3 в полуоси 2 и патрубок 29. Абсорбент, насыщенный ФЛУ, выводится из аппарата через патрубок 23.The gas stream (vapor-air mixture containing light hydrocarbon fractions) enters the gas channel 20 through the pipe 21, passes through the channel, in contact with the wetted liquid (absorbent - summer diesel fuel (DT)), the surface of the rotating shell, then through the holes 32 in the separation ring partition 10 enters the working gas channel 27, where the central hole of the annular dividing partition 9 flows along the radial gaps of the first packet of annular contact disks 15, along the radial gaps of the second packet of rings O-ring contact disks 15 enters the second section (rotating technological housing), then the steam-air mixture is rotated 180 and enters the radial gaps of the second package of rotating annular contact disks (between the transverse partition of the disk 11 and the separation ring partition 9), etc., entering in contact with the flow of liquid (cooled absorbent - DT), flowing in the form of a film from the surface of the rotating disks 16, 14 and 9 and the shell 12, which, when rotating partially (to the lower level of the central of holes in the dividing annular partition 9) immersed in the wetting of the liquid from the liquid conduit 28. The purified gas (air) is derived from the apparatus through the opening 3 in the tube 2 and the half-line 29. Absorbent saturated LHF is discharged from the apparatus through the pipe 23.

При этом контактное взаимодействие фаз происходит при радиальном течении потока газа, который протекая в целом по аппарату в осевом направлении, при последовательном переходе из секции в секцию по всем радиальным зазорам контактных пакетов - газового канала 27, меняя свое (радиальное) направление движения на противоположное, обтекая контактные элементы (вращающиеся диски 16, 14 и 9) - с обеих сторон, т.е. совершает в пределах газового канала 27 многоходовое, зигзагообразное радиально-осевое, последовательно-параллельное движение.In this case, the contact interaction of the phases occurs during a radial gas flow, which flows along the apparatus in the axial direction, with a sequential transition from section to section along all the radial clearances of the contact packets - gas channel 27, changing its (radial) direction of movement to the opposite, flowing around the contact elements (rotating disks 16, 14 and 9) - on both sides, i.e. within the gas channel 27 makes a multi-way, zigzag radial-axial, sequentially parallel movement.

Безотрывное течение пленки жидкости по поверхности вращающегося технологического корпуса 24 с дисками 16, 14 и 9 и обечайкой 12 позволяет на 20% увеличить смачиваемую контактную поверхность ТМОА при одновременном исключении каплеобразования на дисках (на до критических частотах вращения вала), снижает избыточную турбулентность жидкости (при росте турбулентности газа) при практически идеальной равномерности и стабильности процессов тепло- массообмена в каждой секции, позволяет эффективно использовать его для тепло-массообменных процессов, требующих протяженного контакта газа с пленкой жидкости, обеспечивая существенно более низкое гидравлическое сопротивление (т.е. максимальную удельную производительность), при возможности достижения наивысшей полноты абсорбции (по сравнению с аппаратами аналогичного назначения) при аналогичных параметрах абсорбционных ТМОА приводит к уменьшению осевых габаритов аппарата, поскольку увеличение смачиваемой контактной поверхности на ~20% позволяет исключить, как минимум, два контактных пакета.The continuous flow of a liquid film over the surface of a rotating technological case 24 with disks 16, 14, and 9 and a shell 12 makes it possible to increase the wetted contact surface of the TMOA by 20% while eliminating droplet formation on the disks (at up to critical shaft rotation frequencies) and reduces excess fluid turbulence (at increased gas turbulence) with almost perfect uniformity and stability of heat and mass transfer processes in each section, it can be effectively used for heat and mass transfer processes, requiring extended contact of the gas with the liquid film, providing a significantly lower hydraulic resistance (i.e., maximum specific productivity), with the possibility of achieving the highest absorption completeness (compared with devices of similar purpose) with the same parameters of the absorption TMOA, it reduces the axial dimensions of the device, since an increase in the wetted contact surface by ~ 20% allows eliminating at least two contact packets.

Кроме того, взаимодействие постоянно восстанавливаемой, стабильной (в том числе по температуре для каждой секции) пленки жидкости даже при умеренной частоте вращения дисков 16, 14 и 9 и обечайки 12 в условиях достаточно сложной, радиально-винтовой и перекрестно-противоточной организации относительного движения потоков фаз (с возможностью регулирования), обеспечивающей в 1,3÷2 раза большую относительную скорость взаимодействия потока газа (до 2-3 м/сек для данного ТМОА, что существенно больше по сравнению с тарельчатыми, насадочными и др. аппаратами) и высокой турбулентности газа, обуславливает существенное повышение коэффициентов теплопередачи и массообмена в зоне контактного взаимодействия фаз системы газ-жидкость в различных технологических процессах.In addition, the interaction of a constantly restored, stable (including temperature for each section) liquid film, even at a moderate rotational speed of disks 16, 14, and 9 and shell 12 under conditions of a rather complex, radial-screw and cross-countercurrent organization of the relative motion of flows phases (with the possibility of regulation), providing 1.3 ÷ 2 times greater relative velocity of the gas flow interaction (up to 2-3 m / s for this TMOA, which is significantly higher compared to plate, nozzle, etc. apparatus ) and high gas turbulence, which leads to a significant increase in the heat transfer and mass transfer coefficients in the zone of contact interaction of the phases of the gas-liquid system in various technological processes.

В данном аппарате при сохранении непрерывности процесса (как в насадных колоннах), не возникает "байпас-эффектов" и не происходит размывания пленки жидкости (абсорбента, например, летнего дизельного топлива при температуре абсорбента -5÷+15°С) на огромной поверхности контактных дисков при существенно больших скоростях течения газа - паровой фазы (от 2 до 3 м/с), так как пленка непрерывно восстанавливается при вращении дисков, частично погруженных в жидкость (абсорбент), которая в свою очередь непрерывно перетекает от секции к секции (со стороны входа абсорбента по патрубку 30), как и в тарельчатых колоннах, обеспечивая фазовое равновесие по всем контактным пакетам (в каждой секции) в процессе всего периода работы.In this apparatus, while maintaining the continuity of the process (as in packed columns), there are no “bypass effects” and there is no erosion of the liquid film (absorbent, for example, summer diesel fuel at an absorbent temperature of -5 ÷ + 15 ° С) on a huge contact surface disks at significantly higher gas flow rates - the vapor phase (from 2 to 3 m / s), since the film is continuously restored by the rotation of disks partially immersed in a liquid (absorbent), which in turn continuously flows from section to section (from the sides Log absorbent through conduit 30), as in plate columns, providing all the phase equilibrium contact packets (each section) during the entire operation period.

Установка обечайки 12 вокруг разделительных кольцевых перегородок 9 с образованием жесткого технологического корпуса (ротора) позволяет резко упростить конструкцию тепло-массообменного аппарата, обеспечивает более высокую технологичность изготовления и простоту сборки, исключает возможность возникновения контактного трения (внутри технологического корпуса нет деталей с относительным перемещением), а следовательно, повышает безопасность и эксплуатационные характеристики аппарата.The installation of the shell 12 around the separating annular partitions 9 with the formation of a rigid technological case (rotor) allows us to dramatically simplify the design of the heat-mass transfer apparatus, provides higher manufacturability and ease of assembly, eliminates the possibility of contact friction (there are no parts with relative displacement inside the technological case), and therefore, increases the safety and performance of the device.

Заявленное конструктивное решение тепло-массообменных аппаратов имеет следующие преимущества:The claimed constructive solution of heat and mass transfer apparatus has the following advantages:

- достигнута наибольшая удельная производительность среди аналогичных абсорбционных аппаратов (до 400 м³/час ПВС на 1 м³ объема ТМОА);- the highest specific productivity was achieved among similar absorption devices (up to 400 m ³ / h of PVA per 1 m ³ of TMOA volume);

- обеспечивает наиболее высокую полноту абсорбции ФЛУ (до 97,5% паров бензина - абсорбент - летнее дизельное топливо);- provides the highest completeness of absorption of fluorine fluoride (up to 97.5% of gasoline vapor - absorbent - summer diesel fuel);

- обеспечивает максимально возможную равномерность и стабильность процессов тепло- массообмена в каждой секции при существенно более низком гидравлическом сопротивлении;- provides the maximum possible uniformity and stability of heat and mass transfer processes in each section with a significantly lower hydraulic resistance;

- исключает перетекание газа по технологическим зазорам между секциями (в зоне разделительных кольцевых перегородок);- eliminates the flow of gas through the technological gaps between the sections (in the area of the dividing ring partitions);

- существенно упрощает конструкцию аппаратов, уменьшает на 30-50% их длину и массу, на ~30% стоимость их изготовления.- significantly simplifies the design of the apparatus, reduces their length and weight by 30-50%, the cost of their manufacture by ~ 30%.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет в совокупности обеспечить существенно более высокую эффективность проведения различных процессов тепло и массообмена в широком диапазоне сочетания режимных параметров и теплофизических свойств взаимодействующих двух разнофазных сред (газа и жидкости) при безотрывном течении пленки жидкости (абсорбция, ректификация, газоочистка) в горизонтальных ТМОА, которые обуславливают минимальные габариты аппарата, позволяет использовать их в технологических схемах с разнообразными жидкими и газообразными веществами, например для очистки воздуха от твердых частиц и примесей, ректификации нефтегазопродуктов, абсорбции паров углеводородов (фенола, формальдегида, бензина и т.п.) из воздуха и т.п., вместо громоздких колонн с высоким гидравлическим сопротивлением.Thus, the proposed technical solution makes it possible to collectively provide significantly higher efficiency of various heat and mass transfer processes in a wide range of combination of operating parameters and thermophysical properties of the interacting two different-phase media (gas and liquid) in an uninterrupted flow of a liquid film (absorption, rectification, gas purification) in horizontal TMOA, which determine the minimum dimensions of the apparatus, allows you to use them in technological schemes with a variety of vigorous and gaseous substances, for example, for purification of air from solid particles and impurities, rectification of oil and gas products, absorption of hydrocarbon vapors (phenol, formaldehyde, gasoline, etc.) from air, etc., instead of bulky columns with high hydraulic resistance.

Claims

1. A heat and mass transfer apparatus comprising a cylindrical body with a bottom and at least one removable flange, in which there are nozzles for supplying and discharging gas and nozzles for supplying and discharging liquid, a rotating shaft with sequentially alternating dividing axially mounted coaxial to the housing annular partitions forming sections, and transverse solid disks, between which contact packets are installed, consisting of ring contact disks, which are installed with a gap relative to the housing, shaft and each other, while the dividing ring partitions and transverse solid disks are rigidly fastened together by longitudinal studs fixed in the extreme dividing ring partitions, characterized in that around the dividing ring partitions is installed with a gap relative to the cylindrical body of the apparatus shell, which is rigidly connected, at least with extreme dividing ring partitions, and which together with the shaft, dividing ring partitions, transverse solid dis forms a technological case, contact bags and longitudinal pins, the shaft is made of two half shafts, and a hole is made in the half shafts on the gas outlet side, so that one end of the hole cavity is connected to the first section on the side of this half shafts, and the second to the gas outlet pipe installed on the flange of the apparatus, while inside the half-axis with an opening a fluid supply pipe is coaxially installed, holes are made in the extreme dividing annular partition from the liquid discharge side, while heat and mass transfer enny unit is installed with a slope of 2 to 10 ° toward the liquid return pipe.

2. The heat and mass transfer apparatus according to claim 1, characterized in that the annular corrugations are made on the contact disks, while the contact disks with the corrugations are installed so that their surfaces are equidistant.

3. Heat and mass transfer apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the annular corrugations on the contact disks are intermittent.

4. The heat and mass transfer apparatus according to claim 1, characterized in that the gas supply pipe is installed on the housing from the flange side, in which the gas pipe is installed.