RU2555029C2

RU2555029C2 - Vortex chamber for gas and fluid contact

Info

Publication number: RU2555029C2
Application number: RU2013150341/05A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Федоров
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Вортэкс"
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-07-10
Also published as: RU2013150341A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to direct contact between gas and fluid. Vortex chamber for contact of gas with fluid with feed means has gas discharge distributed over chamber side surface and provided with gas swirler while gas discharge means is located there inside. In compliance with this invention, said spinning device abuts on gas swirler or built therein to make fluid outlet from vortex chamber. The simplest version of spinning device is composed of one- or multistart volute composed of one or several spiral shells (opening along the flow) with ends overlapping in radius. Areas of overlapping make tangential slits for fluid discharge from the chamber. Spinning device inner radius approximates to maximum radius of gas swirler inner surface while fluid outlet is composed of one or several tangential slits communicating vortex chamber with its gas inlet.

EFFECT: higher efficiency and reliability, decreased overall dimensions.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике прямого контакта газа и жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности для проведения химико-технологических и энергетических процессов обмена, а также при проектировании устройств мокрой очистки газов.The invention relates to techniques for direct contact of gas and liquid and can be used in various industries for carrying out chemical-technological and energy exchange processes, as well as in the design of wet gas cleaning devices.

В технике контакта газа и жидкости все большее применение получают вихревые контактные камеры с вращающимся дисперсным слоем [Гольдштик М.А., Ли T.B., Смирнов Н.П., Ханин В.М. Скорость вращения газожидкостного слоя в вихревой камере. - В сб. Процессы переноса в дисперсных средах, ИТФ СО АН, Новосибирск, 1983 г., с. 23-45]. Вход по газу в такие камеры распределен по их боковой поверхности посредством устройства закрутки газа, а выход по газу расположен внутри него. Это устройство может состоять из одного или нескольких соосных направляющих аппаратов с тангенциальными щелями, цилиндрических или выполненных в виде усеченного конуса, разнесенных по высоте и прилегающих друг к другу своими торцами. Выход из камеры по газу может быть направленным по оси камеры, например, посредством патрубков, примыкающих к крышке и/или днищу камеру, либо направленным к оси, например, служить входом в другую вихревую камеру, вложенную в данную. Вводимая в камеру жидкость вовлекается газом в вихревое движение, отбрасывается центробежными силами к внутренней поверхности устройства закрутки газа и диспергируется газовыми струями. Благодаря распределенному вводу газа уровень сил трения, действующих на газожидкостный поток со стороны боковой поверхности камеры, существенно ниже, чем при сосредоточенном вводе [Гольдштик М.А., Ли Т.В., Смирнов Н.П., Ханин В.М. Скорость вращения газожидкостного слоя в вихревой камере. - В сб. Процессы переноса в дисперсных средах, ИТФ СО АН, Новосибирск, 1983 г., с. 23-29]. Это приводит к возможности удержания в камере центробежными силами плотного вращающегося дисперсного слоя, прилегающего изнутри к устройству закрутки газа. Такие слои формируются в широком диапазоне геометрических и режимных параметров [патент РФ №2084269, 1993 г. ] и характеризуются чрезвычайно высокой скоростью обменных процессов.In the technique of gas and liquid contact, vortex contact chambers with a rotating dispersed layer are increasingly used [Goldshtik MA, Lee T.B., Smirnov NP, Khanin VM The rotation speed of the gas-liquid layer in the vortex chamber. - On Sat Transfer processes in dispersed media, ITF SB AN, Novosibirsk, 1983, p. 23-45]. The gas inlet to such chambers is distributed along their lateral surface by means of a gas swirling device, and the gas outlet is located inside it. This device may consist of one or more coaxial guide vanes with tangential slots, cylindrical or made in the form of a truncated cone, spaced in height and adjacent to each other with their ends. The gas exit from the chamber can be directed along the axis of the chamber, for example, by means of nozzles adjacent to the lid and / or the bottom of the chamber, or directed to the axis, for example, to serve as an entrance to another vortex chamber enclosed in this one. The liquid introduced into the chamber is drawn into the vortex by the gas, discarded by centrifugal forces to the inner surface of the gas swirl device, and dispersed by gas jets. Due to the distributed gas inlet, the level of friction forces acting on the gas-liquid flow from the side of the side surface of the chamber is significantly lower than with a concentrated inlet [Goldshtik MA, Lee TV, Smirnov NP, Khanin VM The rotation speed of the gas-liquid layer in the vortex chamber. - On Sat Transfer processes in dispersed media, ITF SB AN, Novosibirsk, 1983, p. 23-29]. This leads to the possibility of holding in the chamber by centrifugal forces a dense rotating dispersed layer adjacent from the inside to the gas swirl device. Such layers are formed in a wide range of geometric and operational parameters [RF patent No. 2084269, 1993] and are characterized by an extremely high rate of metabolic processes.

Ввод жидкости в камеру может осуществляться вместе с потоком газа или с помощью специальных средств. Вихревая камера [патент СССР №1805908, 1991 г.] - прототип для первого изобретения включает в себя направляющий аппарат с тангенциальными щелями для ввода и закрутки газа и прилегающее к нему закручивающее устройство ввода жидкости с тангенциальными щелями, вход которых в камеру ориентирован по направлению закрутки газа. Вихревая камера вложена в другую, вспомогательную вихревую камеру с прилегающими друг к другу направляющим аппаратом ввода газа и закручивающим устройством ввода жидкости. Обе вихревые камеры образуют две последовательные по газу ступени контакта газа и жидкости. Ввод жидкости осуществляется либо только закручивающим устройством вспомогательной камеры - тогда жидкость в основную вихревую камеру вводится вместе с потоком газа, либо с помощью обоих устройств ввода жидкости. В обоих случаях реализуется прямоточная схема контакта - жидкость движется вместе с газом из одной ступени в другую и выводится вместе с ним из камеры. Тем самым существенно сужена область применимости вихревых камер, поскольку для ряда процессов, в том числе теплообменных и абсорбционных, эффективный обмен реализуется, как правило, лишь в многоступенчатых устройствах с противоточной схемой контакта, т.е. в которых газ и жидкость движутся со ступени на ступень навстречу друг другу [Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976 г., с. 235-280].The liquid can be introduced into the chamber together with the gas flow or by special means. Vortex chamber [USSR patent No. 1805908, 1991] - a prototype for the first invention includes a guiding apparatus with tangential slots for introducing and swirling gas and an adjacent swirling device for introducing liquid with tangential slots, the entrance of which into the chamber is oriented in the direction of swirl gas. The vortex chamber is embedded in another auxiliary vortex chamber with adjoining guide apparatus for introducing gas and a screwing device for introducing fluid. Both vortex chambers form two successive gas stages of gas-liquid contact. The liquid is introduced either only by a twisting device of the auxiliary chamber - then the liquid is introduced into the main vortex chamber together with the gas flow, or by means of both liquid input devices. In both cases, a direct-flow contact scheme is implemented - the liquid moves with the gas from one stage to another and is removed together with it from the chamber. Thus, the applicability of the vortex chambers is significantly narrowed, since for a number of processes, including heat transfer and absorption, effective exchange is realized, as a rule, only in multistage devices with a countercurrent contact circuit, i.e. in which gas and liquid move from step to step towards each other [Ramm V.M. Gas absorption. - M.: Chemistry, 1976, p. 235-280].

Известна также вихревая камера для контакта жидкости и газа [патент №1813472, 1993 г.], которая содержит штурец для ввода жидкости, устройство для входа газа, а патрубок для выхода по газу расположен внутри этого устройства.Also known is a vortex chamber for contacting liquid and gas [patent No. 1813472, 1993], which contains a bushing for introducing liquid, a device for entering gas, and a pipe for exiting through gas is located inside this device.

Все известные противоточные устройства прямого контакта газа и жидкости реализованы за счет разнесения ступеней по высоте и размещения между ними гидрозатворов [Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976 г., с. 450-478]. Перелив жидкости со ступени на ступень осуществляется благодаря гидростатическому давлению столба жидкости в гидрозатворах, превышающему сопротивление ступеней по газу. Чем выше сопротивление ступеней, тем больше должно быть расстояние между ними. Поскольку сопротивление вихревых камер относительно велико, противоточные устройства контакта с вихревыми камерами не нашли еще должного применения и не описаны в литературе. Недостатки известных противоточных устройств контакта газа и жидкости связаны с использованием гидростатического механизма для организации движения жидкости из узлов с меньшим давлением газа в узлы с большим давлением.All known countercurrent devices for direct contact of gas and liquid are realized due to the spacing of the steps in height and the placement of hydraulic locks between them [Ramm V.M. Gas absorption. - M.: Chemistry, 1976, p. 450-478]. The liquid is transferred from one stage to another due to the hydrostatic pressure of the liquid column in the hydraulic locks, which exceeds the gas resistance of the stages. The higher the resistance of the steps, the greater should be the distance between them. Since the resistance of the vortex chambers is relatively high, countercurrent devices for contact with the vortex chambers have not yet been properly used and are not described in the literature. The disadvantages of the known countercurrent gas-liquid contact devices are associated with the use of a hydrostatic mechanism for organizing the movement of liquid from nodes with lower gas pressure to nodes with higher pressure.

Необходимо отметить, что в устройстве [патент СССР №1805908, 1991 г.] небольшая часть жидкости, поступающей во вспомогательную вихревую камеру, выводится из нее в область ввода газа, однако это не влияет на направление движения жидкости в целом и на схему контакта. Конструкция предназначена для предотвращения отложений примесей из газа на входе в основную вихревую камеру. Отложения существенно влияют на эксплуатационные качества вихревых камер, приводя к постепенному увеличению их сопротивления во время работы, а в ряде случаев - к их полной неработоспособности. Вспомогательная камера устройства [патент СССР №1805908, 1991 г.] установлена для орошения входа по газу в основную камеру и тем самым смыва с него отложений. При этом естественно возникает та же задача в отношении входа во вспомогательную камеру. Для ее решения направляющий аппарат этой камеры сконструирован таким образом, чтобы часть поступающей жидкости проваливалась через его щели наружу. Это достигается за счет существенного снижения скорости ввода газа, что приводит к низкой эффективности контакта во вспомогательной камере.It should be noted that in the device [USSR patent No. 1805908, 1991], a small part of the liquid entering the auxiliary vortex chamber is discharged from it into the gas inlet region, but this does not affect the direction of the liquid as a whole and the contact circuit. The design is designed to prevent deposits of impurities from the gas at the entrance to the main vortex chamber. Deposits significantly affect the performance of the vortex chambers, leading to a gradual increase in their resistance during operation, and in some cases to their complete inoperability. The auxiliary chamber of the device [USSR patent No. 1805908, 1991] is installed to irrigate the gas inlet to the main chamber and thereby flush deposits from it. In this case, the same problem naturally arises with respect to entering the auxiliary chamber. To solve it, the guiding apparatus of this chamber is designed in such a way that part of the incoming liquid falls out through its slots. This is achieved due to a significant decrease in the gas injection rate, which leads to low contact efficiency in the auxiliary chamber.

Тем самым поставленная задача решается за счет усложнения конструкции и увеличения габаритов устройства контакта без заметного повышения эффективности контакта для устройства в целом. Другим недостатком является ограничение по концентрации примесей в потоке газа - количество жидкости, которая проваливается через щели вспомогательного направляющего аппарата, может оказаться недостаточным для смыва с него осажденных примесей.Thus, the task is solved by complicating the design and increasing the dimensions of the contact device without a noticeable increase in the contact efficiency for the device as a whole. Another disadvantage is the restriction on the concentration of impurities in the gas stream — the amount of liquid that falls through the slots of the auxiliary guide vane may not be sufficient to flush precipitated impurities from it.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности, а также уменьшения размеров устройств контакта газа и жидкости с вихревыми контактными камерами за счет организации вывода жидкости из внутреннего пространства закручивающего устройства в область ввода газа. Также изобретение позволяет организовать противоточную схему контакта для устройств с вложенными друг в друга вихревыми камерами.The aim of the invention is to increase the efficiency and reliability, as well as reducing the size of gas-liquid contact devices with vortex contact chambers due to the organization of the liquid outlet from the inner space of the swirling device to the gas inlet area. The invention also allows you to organize a countercurrent contact circuit for devices with nested vortex chambers.

Идея изобретения состоит в следующем. Динамический напор газожидкостного потока, образующего вращающийся дисперсный слой, пропорционален его плотности, которая определяется произведением плотности жидкости на ее объемное содержание, достигающее 30-50%. Тем самым плотность среды в слое на два-три порядка превышает плотность газа. Это означает принципиальную возможность существенного повышения давления жидкости на выходе из камеры по отношению к давлению газа в ней. Для реализации этой возможности нужно трансформировать энергию вращения слоя в динамический напор жидкости на ее выходе. С этой целью могут быть использованы известные в технике раскручивающие устройства, преобразующие вращательное движение среды в поступательное. Специфика данной задачи состоит в том, что раскручивающее устройство должно еще обеспечить сепарацию жидкости от газа. Кроме того, нужно обеспечить незначительные потери напора в процессе сепарации и вывода жидкости. Обоим этим требованиям отвечает размещение раскручивающего устройства на периферии камеры, в непосредственной близости от слоя. Говоря конструктивно, раскручивающее устройство должно прилегать к устройству закрутки газа или быть встроенным в него, например, размещенным между этим устройством и крышкой (днищем) вихревой камеры или между направляющими аппаратами, составляющими устройство закрутки газа.The idea of the invention is as follows. The dynamic pressure of the gas-liquid flow forming a rotating dispersed layer is proportional to its density, which is determined by the product of the density of the liquid by its volumetric content, reaching 30-50%. Thus, the density of the medium in the layer is two to three orders of magnitude higher than the density of the gas. This means that it is in principle possible to significantly increase the liquid pressure at the outlet of the chamber with respect to the gas pressure in it. To realize this possibility, it is necessary to transform the energy of rotation of the layer into the dynamic pressure of the liquid at its outlet. To this end, spin-up devices known in the art can be used that convert the rotational motion of the medium into translational. The specificity of this task is that the spinning device must still ensure the separation of liquid from gas. In addition, it is necessary to ensure insignificant pressure losses in the process of separation and liquid outlet. Both of these requirements are met by placing the unwinding device on the periphery of the chamber, in the immediate vicinity of the layer. Speaking constructively, the spinning device should be adjacent to the gas swirling device or be built into it, for example, placed between this device and the cover (bottom) of the swirl chamber or between the guiding devices that make up the gas swirling device.

Избыточное давление жидкости на выходе из камеры может быть использовано для ее вывода непосредственно в область входа газа в вихревую камеру. Действительно, сопротивление входа в камеру, т.е. перепад давления на устройстве закрутки газа, определяется произведением плотности газа на квадрат скорости его ввода. Эта скорость заметно превышает скорость газожидкостного потока внутри камеры. Однако благодаря эффекту оттеснения слоя от внутренней поверхности устройства закрутки газа (между ними образуется тонкая газовая прослойка) эта разница не столь велика, как при сосредоточенном вводе газа в камеру. Можно сказать, что квадрат скорости ввода газа максимум на один порядок превышает квадрат скорости вращения слоя [Гольдштик М.А., Ли Т.В., Смирнов Н.П., Ханин В.М. Скорость вращения газожидкостного слоя в вихревой камере. - В сб. Процессы переноса в дисперсных средах, ИТФ СО АН, Новосибирск, 1983 г., с. 23-45]. Тем самым динамический напор потока в слое и соответственно давление жидкости на выходе, образованном раскручивающим устройством, могут существенно превышать сопротивление входа в камеру по газу.Excessive fluid pressure at the outlet of the chamber can be used to withdraw it directly to the gas inlet region into the vortex chamber. Indeed, the entrance resistance to the chamber, i.e. the pressure drop across the gas swirl device is determined by the product of the gas density and the square of its input velocity. This speed is noticeably higher than the gas-liquid flow rate inside the chamber. However, due to the effect of pushing the layer away from the inner surface of the gas swirling device (a thin gas layer is formed between them), this difference is not so great as with a concentrated gas injection into the chamber. We can say that the square of the gas inlet velocity is at most one order higher than the square of the layer rotation speed [Goldshtik MA, Li TV, Smirnov NP, Khanin VM The rotation speed of the gas-liquid layer in the vortex chamber. - On Sat Transfer processes in dispersed media, ITF SB AN, Novosibirsk, 1983, p. 23-45]. Thus, the dynamic pressure of the flow in the layer and, accordingly, the liquid pressure at the outlet formed by the spinning device, can significantly exceed the gas inlet resistance to the chamber.

Таким образом, для достижения требуемого результата вихревая камера для контакта газа и жидкости со средствами ввода жидкости, вход в которую по газу распределен по ее боковой поверхности и образован устройством закрутки газа, а выход по газу расположен внутри этого устройства, согласно изобретению включает раскручивающее устройство, прилегающие к устройству закрутки газа или встроенное в него и образующее выход по жидкости из вихревой камеры.Thus, in order to achieve the desired result, a vortex chamber for contacting gas and liquid with liquid inlet means, the entrance to which is distributed through the gas along its side surface and is formed by a gas swirl device, and the gas outlet is located inside this device, according to the invention includes a spinning device, gas swirls adjacent to the device or integrated into it and forming a fluid outlet from the vortex chamber.

Давление в вихревой камере падает по направлению к ее оси. Поэтому максимальное давление жидкости на выходе может быть достигнуто при размещении раскручивающего устройства вблизи максимального внутреннего периметра вихревой камеры, например, при его установке с примыканием к наибольшему из торцов направляющих аппаратов, составляющих устройство закрутки газа, или между такими торцами. Такое размещение способствует также сепарации жидкости от газа и ее движению в слое по направлению к раскручивающему устройству, что приводит к повышению пропускной способности камеры по жидкости. С другой стороны, для уменьшения потерь напора на входе жидкости в раскручивающее устройство его располагают по возможности близко к слою, т.е. к внутренней поверхности устройства закрутки газа. Для удовлетворения обоих сформулированных требований раскручивающее устройство устанавливают таким образом, чтобы его внутренний радиус был близок к максимальному радиусу внутренней поверхности устройства закрутки газа.The pressure in the vortex chamber drops towards its axis. Therefore, the maximum pressure of the liquid at the outlet can be achieved by placing a spinning device near the maximum internal perimeter of the vortex chamber, for example, when it is installed adjacent to the largest of the ends of the guide devices that make up the gas swirl device, or between such ends. This arrangement also contributes to the separation of the liquid from the gas and its movement in the layer towards the spinning device, which leads to an increase in the liquid throughput of the chamber. On the other hand, in order to reduce the pressure loss at the fluid inlet to the spinning device, it is placed as close to the layer as possible, i.e. to the inner surface of the gas swirl device. To satisfy both of the stated requirements, a spinning device is installed so that its internal radius is close to the maximum radius of the internal surface of the gas swirling device.

Для минимизации потерь напора в самом раскручивающем устройстве вывод жидкости организуют с помощью одной или нескольких тангенциальных щелей. Отметим, что по самому определению раскручивающего устройства выход этих щелей из камеры ориентирован по направлению потока в ней, т.е. по направлению закрутки газа. В этом состоит основное конструктивное отличие от закручивающих устройств ввода жидкости с тангенциальными щелями [патент СССР №1805908, 1991 г.], у которых по направлению закрутки газа ориентирован вход щелей в камеру. Еще одно преимущество щелевых раскручивающих устройств по сравнению с другими состоит в том, что они открыты в область ввода газа. Это упрощает, например, конструкцию противоточного устройства контакта с вложенными вихревыми камерами.To minimize pressure losses in the spinning device itself, the liquid outlet is organized with the help of one or more tangential gaps. Note that by the very definition of a spinning device, the exit of these slots from the chamber is oriented in the direction of flow in it, i.e. in the direction of the gas swirl. This is the main structural difference from swirling fluid inlet devices with tangential slits [USSR patent No. 1805908, 1991], in which the slit entrance to the chamber is oriented in the direction of gas swirling. Another advantage of slotted spinning devices compared to others is that they are open to the gas inlet area. This simplifies, for example, the design of a countercurrent contact device with embedded vortex chambers.

Простейший вариант такого раскручивающего устройства представляет одно- или многозаходная улитка, образованная одной или несколькими спиральными (раскрывающимися по направлению потока) обечайками с перекрывающими друг друга по радиусу концами. Области их перекрытия и образуют тангенциальные щели для вывода жидкости из камеры.The simplest version of such a spinning device is a single or multiple snail formed by one or more spiral (opening in the direction of flow) shells with ends that overlap each other in radius. The areas of their overlap form tangential gaps for the removal of fluid from the chamber.

Для организации противоточной схемы контакта используют устройство с двумя и более вложенными друг в друга вихревыми камерами, включающими раскручивающие устройства, при этом выход по жидкости из каждой камеры соединяют с областью ввода газа в нее, а ввод жидкости извне устройства контакта осуществляют только в наименьшую из камер. Для увеличения скорости вращения слоя и тем самым эффективности контакта ввод жидкости осуществляют тангенциально, по направлению закрутки газа, что особенно важно при массовых расходах жидкости, сопоставимых с массовым расходом газа. При использовании раскручивающих устройств с тангенциальными щелями выход из камеры по жидкости одновременно является входом по жидкости в камеру, охватывающую данную. Поэтому для согласования направлений ввода газа и жидкости направление закрутки газа во всех вложенных друг в друга вихревых камерах выбирают одинаковым.To organize a counter-current contact scheme, a device is used with two or more vortex chambers inserted into each other, including spinning devices, while the liquid outlet from each chamber is connected to the gas inlet area, and the liquid is introduced from the contact device only into the smallest of the chambers . To increase the speed of rotation of the layer and thereby the contact efficiency, the liquid is introduced tangentially in the direction of gas swirling, which is especially important for mass flow rates comparable with the mass flow rate of gas. When using spinning devices with tangential slots, the liquid exit from the chamber at the same time is the liquid entrance to the chamber covering this one. Therefore, to agree on the directions of gas and liquid inlet, the direction of gas swirling in all vortex chambers inserted into each other is chosen the same.

Вывод жидкости из вихревой камеры в область ввода газа можно также использовать для эффективного орошения входа в камеру по газу частью жидкости, возвращаемой в камеру потоком газа. Это предотвращает отложение на входе примесей из газа и обеспечивает тем самым работоспособность вихревой камеры. Необходимое для этого количество жидкости зависит от концентрации примесей и их физических свойств (растворимости, смачиваемости). Конструктивно оно задается элементами, устанавливаемыми на выходе из камеры по жидкости и регулирующими равномерность ее вывода по периметру раскручивающего устройства и скорость по направлению к устройству ввода газа в камеру.The liquid outlet from the vortex chamber to the gas inlet region can also be used to efficiently irrigate the gas inlet into the chamber with a part of the liquid returned to the chamber by the gas stream. This prevents deposition of impurities from the gas at the inlet and thereby ensures the operability of the vortex chamber. The amount of liquid required for this depends on the concentration of impurities and their physical properties (solubility, wettability). Structurally, it is set by elements installed at the outlet of the chamber by liquid and regulating the uniformity of its output along the perimeter of the spinning device and the speed towards the device for introducing gas into the chamber.

Для обеспечения вывода из камеры всей жидкости, поступающей в нее, и, с другой стороны, предотвращения прохода газа через раскручивающее устройство навстречу жидкости, его проходное сечение S′ выбирают в соответствии с объемным расходом жидкости Q′ через камеру и скоростью ее вывода v′:In order to ensure that all liquid entering into it is withdrawn from the chamber, and, on the other hand, to prevent gas from passing through the spinning device towards the liquid, its passage section S ′ is selected in accordance with the volumetric flow rate of the liquid Q ′ through the chamber and its outlet velocity v ′:

Эту скорость можно оценить по скорости вращения слоя vc в предположении о том, что в раскручивающем устройстве теряется не более 50% от динамического напора потока в слое. Это означает:This speed can be estimated from the rotational speed of the layer vc under the assumption that in the spinning device no more than 50% of the dynamic pressure of the flow in the layer is lost. It means:

где ε - объемное содержание жидкости в слое. Скорость вращения слоя определяется по известным формулам и зависит от многих режимных и геометрических параметров вихревой камеры. Однако в широком диапазоне параметров, охватывающем большинство практических приложений вихревых камер, существенной является зависимость лишь от объемного расхода газа Q, проходного сечения устройства закрутки газа S и отношения плотности газа ρ к плотности жидкости ρ′. В этом диапазоне можно воспользоваться приближенной формулойwhere ε is the volumetric liquid content in the layer. The speed of rotation of the layer is determined by known formulas and depends on many operating and geometric parameters of the vortex chamber. However, in a wide range of parameters, covering most of the practical applications of vortex chambers, the dependence on the gas flow rate Q, the flow area of the gas swirl device S and the ratio of gas density ρ to liquid density ρ ′ is significant only. In this range, you can use the approximate formula

где s - относительное проходное сечение устройства закрутки газа. Из приведенных соотношений следует оценка скорости вывода жидкостиwhere s is the relative flow area of the gas swirl device. From the above relations, an estimate of the rate of liquid withdrawal follows

и тем самым приближенная формула для расчета проходного сечения раскручивающего устройстваand thus the approximate formula for calculating the flow area of the spinning device

С учетом того, что плотность жидкости на три порядка превышает плотность газа, а характерные значения s составляют 0.1÷0.3, из этой формулы, например, следует, что при близких массовых расходах газа и жидкости, когда Q′~10-3Q, проходное сечение раскручивающего устройства для вывода жидкости нужно выбирать по порядку величины в сто раз меньшим проходного сечения соответствующего устройства закрутки газа.Taking into account the fact that the density of the liquid is three orders of magnitude higher than the density of the gas, and the characteristic values of s are 0.1–0.3, it follows from this formula, for example, that at close mass flow rates of gas and liquid, when Q ′ ~ 10-3Q, the cross section the spinning device for liquid output must be selected in order of magnitude one hundred times smaller than the flow area of the corresponding gas swirling device.

Предложенные механизмы движения жидкости из областей с меньшим давлением газа в области с большим давлением основаны на динамических свойствах вращающегося дисперсного слоя и тем самым принципиально отличаются от применяемого в известных устройствах контакта гидростатического механизма. Скорость вращения слоя пропорциональна скорости ввода газа [Гольдштик М.А., Ли Т.В., Смирнов Н.П., Ханин В.М. Скорость вращения газожидкостного слоя в вихревой камере. - В сб. Процессы переноса в дисперсных средах, ИТФ СО АН, 1983 г., с. 23-45], так что динамический напор в слое пропорционален квадрату расхода газа, которым определяются все перепады давления в устройстве, в том числе сопротивление входа в вихревую камеру по газу. Тем самым, если конструктивные параметры устройства выбраны удачно и указанные механизмы реализуются при каком-нибудь расходе газа, то они будут действовать и при любом большем. При вводе жидкости в камеру по направлению закрутки газа скорость вращения слоя возрастает также и с увеличением расхода жидкости. Это означает, что предложенные механизмы действуют без ограничений сверху на режимные параметры - расходы газа и жидкости.The proposed mechanisms of fluid motion from regions with lower gas pressures in regions with higher pressures are based on the dynamic properties of a rotating dispersed layer and thus fundamentally differ from the hydrostatic mechanism used in known contact devices. The rotation speed of the layer is proportional to the gas injection rate [Goldshtik M.A., Lee T.V., Smirnov N.P., Khanin V.M. The rotation speed of the gas-liquid layer in the vortex chamber. - On Sat Transfer processes in dispersed media, ITF SB AN, 1983, p. 23-45], so that the dynamic pressure in the layer is proportional to the square of the gas flow rate, which determines all the pressure drops in the device, including the gas input resistance to the vortex chamber. Thus, if the design parameters of the device are chosen successfully and the indicated mechanisms are realized at some gas flow rate, then they will work at any higher. When liquid is introduced into the chamber in the direction of gas swirl, the rotation speed of the layer also increases with increasing fluid flow. This means that the proposed mechanisms operate without restrictions from above on the operational parameters - gas and liquid flow rates.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2.The invention is illustrated in FIG. 1 and 2.

На фиг. 1, показана в вертикальном и горизонтальном разрезах вихревая камера контакта газа и жидкости. Вихревая камера включает устройство закрутки газа (направляющий аппарат) 5, установленное между днищем 8 и крышкой 4 камеры и образующее вход по газу в камеру, осевой патрубок вывода газа 9, устройство ввода жидкости 1 и раскручивающее устройство вывода жидкости 7. Направляющий аппарат 5 выполнен цилиндрическим и состоит из кольцевого фланца 6 и установленных между ним и крышкой камеры 4 лопаток 10, образующих тангенциальные щели для ввода газа в камеру. Раскручивающее устройство 7 состоит из четырех спиральных обечаек 12 с перекрывающими друг друга по радиусу концами, раскрытых по направлению щелей направляющего аппарата 5, установленных между фланцем 6 и днищем 8 с примыканием к ним, и образующих тангенциальные щели для вывода жидкости из камеры, при этом внутренний радиус установки обечаек 12 равен внутреннему радиусу фланца 6, т.е. радиусу внутренней поверхности направляющего аппарата 5. Устройство ввода жидкости 1 состоит из четырех спиральных обечаек 11, установленных между фланцем 2 и крышкой 4 с примыканием к ним и образующих тангенциальные щели для ввода жидкости в камеру, с перекрывающими друг друга по радиусу концами, раскрытых по направлению щелей направляющего аппарата 5, при этом внешний радиус установки обечаек 11 равен внешнему радиусу фланца 2. На крышке 4 установлен штуцер 3 для подачи воды в вихревую камеру.In FIG. 1, a vortex chamber of gas and liquid contact is shown in vertical and horizontal sections. The vortex chamber includes a gas swirling device (guiding apparatus) 5, mounted between the bottom 8 and the chamber cover 4 and forming a gas inlet to the chamber, an axial gas outlet 9, a fluid inlet 1 and a spin fluid outlet 7. The guiding apparatus 5 is cylindrical and consists of an annular flange 6 and blades 10 installed between it and the chamber cover 4, forming tangential slots for introducing gas into the chamber. The unwinding device 7 consists of four spiral shells 12 with ends overlapping each other in radius, opened in the direction of the slots of the guide apparatus 5, mounted between the flange 6 and the bottom 8 adjacent to them, and forming tangential slits for removing fluid from the chamber, while the inner the installation radius of the shells 12 is equal to the inner radius of the flange 6, i.e. the radius of the inner surface of the guiding apparatus 5. The fluid input device 1 consists of four spiral shells 11 mounted between the flange 2 and the cover 4 adjacent to them and forming tangential slots for introducing fluid into the chamber, with ends overlapping in radius, open in the direction slots of the guide apparatus 5, while the outer radius of the installation of the shells 11 is equal to the outer radius of the flange 2. On the lid 4 there is a fitting 3 for supplying water to the vortex chamber.

Устройство работает следующим образом. Благодаря избыточному давлению газа в области, внешней по отношению к направляющему аппарату 5, газ проходит через него, при этом формируются распределенные по периметру тангенциальные струи и течения вихревой структуры внутри камеры. Жидкость вводится в камеру посредством штуцера 3 и тангенциальных щелей устройства 1 и центробежными силами отбрасывается к внутренней поверхности аппарата 5, где диспергируется струями газа на капли, формирующие вращающийся дисперсный слой. После контакта с жидкостью в слое газ выводится из камеры через патрубок 9. Жидкость в слое движется вдоль направляющего аппарата 5, оттесняется к обечайкам 12 раскручивающего устройства 7, при движении вдоль них, под действием центробежных сил, освобождается от газа и благодаря энергии вращения слоя, трансформированной в динамический напор поступательного движения устройством 7, выводится из камеры. Благодаря выводу жидкости из камеры навстречу потоку газа выход камеры по газу разгружен от жидкости.The device operates as follows. Due to the excess gas pressure in the region external to the guide vane 5, the gas passes through it, and tangential jets distributed throughout the perimeter and vortex structure flows inside the chamber are formed. The fluid is introduced into the chamber by means of the nozzle 3 and the tangential slots of the device 1 and is discarded by centrifugal forces to the inner surface of the apparatus 5, where it is dispersed by gas jets onto droplets forming a rotating dispersed layer. After contact with the liquid in the layer, gas is discharged from the chamber through the pipe 9. The liquid in the layer moves along the guide apparatus 5, is pushed to the shells 12 of the spinning device 7, when moving along them, under the action of centrifugal forces, it is freed from gas and due to the rotation energy of the layer, transformed into a dynamic pressure head of the translational movement by the device 7, is displayed from the camera. Due to the withdrawal of fluid from the chamber towards the gas flow, the chamber outlet through the gas is unloaded from the fluid.

На фиг.2 показана в вертикальном и горизонтальном разрезах двухступенчатая вихревая камера с противоточной схемой контакта газа и жидкости. Вихревая камера включает два соосных, вложенных друг в друга, устройства закрутки газа (направляющих аппарата) 14 и 2, установленных между днищем 13 и крышкой 1 камеры и образующих вход по газу в первую и вторую ступени контакта соответственно, осевой патрубок вывода газа 12, устройство ввода жидкости 5 и раскручивающие устройства вывода жидкости 7 и 10. Направляющий аппарат 14 выполнен в виде усеченного, раскрытого вверх конуса и состоит из кольцевого фланца 15 и установленных между ним и днищем камеры 13 лопаток 17, образующих тангенциальные щели для ввода газа в камеру. Направляющий аппарат 2 выполнен в виде усеченного, раскрытого вниз конуса и состоит из кольцевого фланца 9 и установленных между ним и крышкой 1 тангенциальных лопаток 18, ориентированных так же, как лопатки 17, и образующих щели для ввода газа во вторую ступень контакта. Раскручивающее устройство 10 состоит из четырех спиральных обечаек 20 с перекрывающими друг друга по радиусу концами, раскрытых по направлению щелей направляющих аппаратов 2 и 14, установленных между фланцем 9 и днищем 13 с примыканием к ним и образующих тангенциальные щели для вывода жидкости из второй по газу ступени контакта и ввода жидкости в первую ступень, при этом внутренний радиус установки обечаек 20 равен внутреннему радиусу фланца 9, т.е. максимальному радиусу внутренней поверхности аппарата 2. Аналогичное по конструкции раскручивающее устройство 7 состоит из четырех обечаек 16, образующих щели для вывода жидкости из первой ступени контакта. Снаружи раскручивающего устройства 7 установлен отбойный козырек 8, регулирующий движение жидкости на выходе из камеры. Устройство ввода жидкости 5 состоит из четырех спиральных обечаек 19, установленных между фланцем 4 и крышкой 1 с примыканием к ним и образующих тангенциальные щели для ввода жидкости во вторую по газу ступень контакта, с перекрывающими друг друга по радиусу концами, раскрытых по направлению щелей направляющих аппаратов 2 и 14, при этом внешний радиус установки обечаек 19 равен внешнему радиусу фланца 4. На крышке 1 установлен штуцер 3 для подачи воды в вихревую камеру. На вертикальном разрезе также показаны формирующиеся в процессе работы вращающиеся дисперсные слои 11 и 6. На горизонтальном разрезе A-A слои 11 и 6 не показаны.Figure 2 shows in vertical and horizontal sections a two-stage vortex chamber with a countercurrent gas-liquid contact scheme. The vortex chamber includes two coaxial gas swirling devices (guiding apparatus) 14 and 2, inserted between each other, installed between the bottom 13 and the lid 1 of the chamber and forming a gas inlet to the first and second contact stages, respectively, an axial gas outlet 12, device liquid inlet 5 and spinning devices for liquid outlet 7 and 10. The guiding apparatus 14 is made in the form of a truncated upwardly opened cone and consists of an annular flange 15 and blades 17 installed between it and the bottom of the chamber 13, forming tangential slots for I introduce a gas into the chamber. The guide apparatus 2 is made in the form of a truncated, cone opened downward and consists of an annular flange 9 and tangential blades 18 installed between it and the lid 1, oriented in the same way as the blades 17, and forming slots for introducing gas into the second contact stage. The unwinding device 10 consists of four spiral shells 20 with ends overlapping in radius, opened in the direction of the slots of the guiding devices 2 and 14, installed between the flange 9 and the bottom 13 with adjoining them and forming tangential slots for removing liquid from the second gas stage contact and fluid injection into the first stage, while the inner radius of the installation of the shells 20 is equal to the inner radius of the flange 9, i.e. the maximum radius of the internal surface of the apparatus 2. A similar in design untwisting device 7 consists of four shells 16, forming slots for the withdrawal of fluid from the first stage of contact. Outside of the spinning device 7, a baffle plate 8 is installed that regulates the movement of liquid at the outlet of the chamber. The fluid input device 5 consists of four spiral shells 19 installed between the flange 4 and the cover 1 adjacent to them and forming tangential slots for introducing the liquid into the second gas contact stage, with ends overlapping in radius, open in the direction of the slots of the guide vanes 2 and 14, while the outer radius of the installation of the shells 19 is equal to the outer radius of the flange 4. On the lid 1 there is a fitting 3 for supplying water to the vortex chamber. The vertical section also shows the rotating disperse layers 11 and 6 formed during operation. The horizontal section A-A shows the layers 11 and 6 not shown.

Устройство работает следующим образом. Благодаря избыточному давлению газа в области, внешней по отношению к направляющему аппарату 14, газ проходит последовательно через направляющие аппараты 14 и 2, формирующие распределенные по периметру тангенциальные струи и течения вихревой структуры в областях между ними и внутри аппарата 2. Жидкость вводится в камеру посредством штуцера 3 и тангенциальных щелей устройства 5 и центробежными силами отбрасывается к внутренней поверхности аппарата 2, где диспергируется струями газа на капли, формирующие вращающийся дисперсный слой 11. После контакта с жидкостью в слое 11 газ выводится из камеры через патрубок 12. Под действием центробежных сил жидкость в слое 11 движется вдоль направляющего аппарата 2 по направлению к его большему торцу, оттесняется к обечайкам 20 раскручивающего устройства 10, при движении вдоль них освобождается от газа и благодаря энергии вращения слоя 11, трансформированной в динамический напор поступательного движения устройством 10, выводится через его тангенциальные щели в область между направляющими аппаратами 2 и 14. Здесь аналогичным образом формируется вращающийся дисперсный слой 6, в котором осуществляется первая по газу стадия контакта (в слое 11 соответственно - вторая). После контакта с газом в слое 6 жидкость через тангенциальные щели раскручивающего устройства 7 по описанному выше механизму выводится наружу направляющего аппарата 14. Здесь она отбрасывается к отбойному козырьку 8, распределяется при движении вдоль него по периметру и сбрасывается в кольцевую щель между ним и фланцем 15. Часть жидкости покидает устройство, а другая захватывается потоком газа и, попутно орошая лопатки направляющего аппарата 14, вновь вводится в камеру, что препятствует отложению на них примесей из газа. Доля рециркулирующей таким образом жидкости регулируется высотой и радиусом установки козырька 8, которые определяют равномерность распределения жидкости по периметру раскручивающего устройства 7 и ее скорость по направлению к аппарату 14.The device operates as follows. Due to the excess gas pressure in the region external to the guide vane 14, the gas passes sequentially through the vane guides 14 and 2, forming tangential jets distributed throughout the perimeter and vortex structure flows in the regions between them and inside the apparatus 2. The liquid is introduced into the chamber by means of a nozzle 3 and the tangential slots of the device 5 and by centrifugal forces are discarded to the inner surface of the apparatus 2, where it is dispersed by jets of gas into droplets forming a rotating dispersed layer 11. After contact with the liquid in the layer 11, the gas is discharged from the chamber through the pipe 12. Under the action of centrifugal forces, the liquid in the layer 11 moves along the guide apparatus 2 towards its larger end, is pushed to the shells 20 of the spinning device 10, when moving along them it is freed from gas and due to the rotation energy of the layer 11, transformed into a dynamic head of translational motion by the device 10, it is output through its tangential slots into the region between the guiding devices 2 and 14. Here, in a similar way, is formed a rotating dispersed layer 6, in which the first gas contact stage is carried out (in the layer 11, respectively, the second). After contact with the gas in the layer 6, the liquid through the tangential slots of the spinning device 7 is discharged outward of the guide apparatus 14 by the above-described mechanism. Here it is discarded to the bump visor 8, distributed along the perimeter along it and dumped into the annular gap between it and the flange 15. Part of the liquid leaves the device, and the other is captured by the gas stream and, simultaneously irrigating the blades of the guide apparatus 14, is again introduced into the chamber, which prevents the deposition of impurities from the gas on them. The proportion of the liquid recirculating in this way is governed by the height and radius of installation of the visor 8, which determine the uniformity of the distribution of the liquid along the perimeter of the spinning device 7 and its speed towards the apparatus 14.

В отличие от вихревой камеры [патент СССР №1805908, 1991 г.], для которой является обязательной подача жидкости в пространство между направляющими аппаратами, жидкость вводится только во внутреннюю область аппарата 2 и движется противотоком по отношению к потоку газа. Вывод жидкости в область ввода газа достигается не в ущерб эффективности контакта в первой ступени и с возможностью регулирования в широких пределах доли жидкости, поступающей на орошение входа в камеру по газу. Благодаря выводу жидкости из второй (последней) ступени навстречу потоку газа, выход камеры по газу разгружен от жидкости.In contrast to the vortex chamber [USSR patent No. 1805908, 1991], for which it is mandatory to supply fluid into the space between the guide vanes, the fluid is introduced only into the inner region of the apparatus 2 and moves countercurrently with respect to the gas flow. The liquid outlet to the gas inlet area is achieved not at the expense of the contact efficiency in the first stage and with the possibility of regulation over a wide range of the fraction of liquid supplied to the chamber by gas inlet irrigation. Due to the withdrawal of liquid from the second (last) stage towards the gas flow, the chamber exit through the gas is unloaded from the liquid.

Claims

1. A vortex chamber for contacting gas and liquid with liquid inlet means, the gas inlet of which is distributed along its lateral surface and is formed by a gas swirling device, and the gas outlet is located inside this device, characterized in that it includes a spinning device adjacent to the device gas swirling or built into it and forming a fluid outlet from the vortex chamber.

2. The vortex chamber according to claim 1, characterized in that the inner radius of the spinning device is close to the maximum radius of the inner surface of the gas swirling device, and the fluid outlet is formed by one or more tangential slots connecting the vortex chamber with the gas inlet region.