RU2743760C1

RU2743760C1 - Mass exchange apparatus

Info

Publication number: RU2743760C1
Application number: RU2020116752A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Науменко; Егор Евгеньевич Никольский
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-02-25

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to devices for conducting processes of fixed solid phase with liquid or gas phases at high temperatures and can be used for sorption/adsorption processes, catalytic oxidation of elements in pharmaceutical, chemical, nuclear and other industries, in particular, when working with radioactive media. Invention relates to a mass exchange apparatus comprising a housing with a bottom integral with the housing, a removable cover with reaction mixture feed and discharge nozzles, blowoff, drainage, wherein on inner surface of cylindrical housing along its entire height a spiral groove is made, forming heat jacket, connected to heat carrier inlet union and heat carrier outlet nozzle, and inside cylindrical housing with minimum clearance there installed is removable cylindrical shell filled with fixed bulk layer consisting of outer and inner shells, and perforated bottom. On external surface of shell inner shell spiral groove is made, which forms spiral channel, connected with supply unions and removing reaction mixture for supplying initial reaction mixture to upper part of apparatus through feed pipe, heating it during passage from top to bottom along a helical channel and entering the reaction zone of the apparatus - a fixed bulk layer with a bottom upward direction and subsequent discharge through the discharge union.EFFECT: technical result is higher efficiency of heat exchange process and reduced power consumption for heating of heat carrier and its consumption, increased surface of heat exchange.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратам для проведения процессов взаимодействия неподвижной твердой фазы с жидкой или газовой фазами при повышенных температурах и может быть использовано для реализации процессов сорбции/адсорбции, каталитического окисления элементов в фармацевтической, химической, атомной и других отраслях промышленности, в частности, при работе с радиоактивными средами.The invention relates to apparatus for carrying out the processes of interaction of a stationary solid phase with liquid or gas phases at elevated temperatures and can be used to implement sorption / adsorption processes, catalytic oxidation of elements in pharmaceutical, chemical, nuclear and other industries, in particular, when working with radioactive media.

Как известно, в основе работы теплообменных аппаратов различных типов (теплообменники типа труба в трубе, кожухотрубчатый, пластинчатый и т.д.) лежит процесс передачи тепла от одного теплоносителя к другому через поверхность теплообмена - стенку, выполненную из теплопроводящего материала.As you know, the operation of heat exchangers of various types (heat exchangers such as pipe-in-pipe, shell-and-tube, plate, etc.) is based on the process of transferring heat from one coolant to another through a heat exchange surface - a wall made of heat-conducting material.

Известен реактор (патент СССР SU 1627241, опубл. 15.02.1991), который содержит вертикальный корпус с рубашкой, внутренние секционные трубчатые теплообменники, циркуляционную трубу с конически днищем и перемешивающим устройством. В коническом днище циркуляционной трубы равномерно по окружности выполнен ряд сквозных отверстий, в которых закреплены полые вертикальные трубы, содержащие секционные трубчатые теплообменники. Сквозные отверстия с полыми трубами расположены на одинаковом расстоянии от перемешивающего устройства, установленного на вершине конуса днища. Изобретение позволяет повысить производительность за счет увеличения удельной поверхности теплообмена.Known reactor (USSR patent SU 1627241, publ. 15.02.1991), which contains a vertical casing with a jacket, internal sectional tubular heat exchangers, a circulation pipe with a conical bottom and a stirring device. In the conical bottom of the circulation pipe, a number of through holes are evenly made around the circumference, in which hollow vertical pipes containing sectional tubular heat exchangers are fixed. The through holes with hollow tubes are located at the same distance from the agitator mounted on the top of the bottom cone. The invention improves productivity by increasing the specific heat exchange surface.

Недостаток реактора заключается в том, что жидкая фаза начинает нагреваться только после поступления в реакционный объем аппарата, что влечет за собой больший расход теплоносителя, и, как следствие, больший расход электроэнергии и рост временного периода для достижения заданной температуры реакционной смеси.The disadvantage of the reactor is that the liquid phase begins to heat up only after it enters the reaction volume of the apparatus, which entails a higher flow rate of the coolant, and, as a consequence, a higher power consumption and an increase in the time period to reach a given temperature of the reaction mixture.

Известен патент РФ RU 2348882 «Теплообменник Астановского радиально-спирального типа (варианты)». Теплообменник содержит вертикальный цилиндрический корпус с патрубками для подвода и отвода теплоносителей, внутри которого вокруг вертикальной оси установлены один над другим (вариант 1) или концентрично (вариант 2) два или более блоков теплообменных элементов с образованием распределительных коллекторов. Каждый теплообменный элемент состоит из двух снабженных дистанционирующими выступами стенок спиралеобразной формы, образующих внутренний канал для радиально-спирального потока одного из теплоносителей, а будучи собранными в блок, теплообменные элементы формируют вертикальные щелевые каналы для аксиального потока второго теплоносителя. Возможно также исполнение теплообменника для более чем двух теплоносителей. Направление потоков теплоносителей обеспечивается установленными внутри аппарата перегородками. Аппарат позволяет снизить гидравлические потери потоков теплоносителей.Known RF patent RU 2348882 "Heat exchanger of the Astanov radial-spiral type (options)". The heat exchanger contains a vertical cylindrical body with nozzles for supplying and removing coolants, inside which, around a vertical axis, two or more blocks of heat exchange elements are installed one above the other (option 1) or concentrically (option 2) with the formation of distribution manifolds. Each heat exchange element consists of two spiral-shaped walls equipped with spacer protrusions, which form an internal channel for a radial-spiral flow of one of the coolants, and when assembled into a block, the heat exchange elements form vertical slotted channels for the axial flow of the second coolant. It is also possible to design a heat exchanger for more than two heat carriers. The direction of the heat carrier flows is ensured by the partitions installed inside the apparatus. The device allows to reduce hydraulic losses of heat carrier flows.

Однако недостатками аппарата является то, что, для обеспечения постоянства температуры первого и второго теплоносителей необходимо проводить их нагрев в зарубашечном пространстве реактора, что требует, в свою очередь, увеличения расхода как теплоносителей, так и энергии для их нагрева.However, the disadvantages of the apparatus are that, to ensure the constancy of the temperature of the first and second coolants, it is necessary to heat them in the outer space of the reactor, which, in turn, requires an increase in the consumption of both the coolants and the energy for heating them.

Наиболее близким к изобретению является выбранный в качестве прототипа массообменный аппарат - «Реактор для проведения процессов в «кипящем» слое» (АС СССР SU 231525, опубл. 23.08.1972 г.). Реактор состоит из корпуса, выполненного из немагнитного материала и заполненного реакционной средой (ферромагнитные частицы) с нагревательным элементом и статора. Нагревательный элемент изготовлен из электропроводного материала в виде гильзы и расположен внутри корпуса реактора по его оси. Реактор обеспечивает повышенную эффективность работы за счет расположенного внутри аппарата (вдоль его оси) нагревательного элемента и выполненного в виде гильзы. К недостаткам аппарата можно отнести:The closest to the invention is the mass exchange apparatus selected as a prototype - "Reactor for carrying out processes in a" fluidized "bed" (AC USSR SU 231525, publ. 23.08.1972). The reactor consists of a body made of non-magnetic material and filled with a reaction medium (ferromagnetic particles) with a heating element and a stator. The heating element is made of an electrically conductive material in the form of a sleeve and is located inside the reactor vessel along its axis. The reactor provides increased efficiency due to a heating element located inside the apparatus (along its axis) and made in the form of a sleeve. The disadvantages of the device include:

- небольшую поверхность теплообмена;- small heat exchange surface;

- высокую инерционность системы: ввиду того, что реакционная смесь поступает в аппарат при температуре, ниже заданной по технологии, увеличивается период ее нагревания. Выход на заданный температурный режим осуществляется с запаздыванием, что влечет за собой не только увеличение расхода энергии для нагрева, но и времени пребывания реакционной смеси в аппарате.- high inertia of the system: due to the fact that the reaction mixture enters the apparatus at a temperature lower than the one set by the technology, the period of its heating increases. Achievement of a given temperature regime is carried out with a delay, which entails not only an increase in energy consumption for heating, but also the residence time of the reaction mixture in the apparatus.

Задача, решаемая изобретением, состоит в снижении энергопотребления на нагревание теплоносителя и его расхода для поддержания заданной температуры в реакционной зоне аппарата.The problem solved by the invention is to reduce energy consumption for heating the coolant and its consumption to maintain a given temperature in the reaction zone of the apparatus.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса теплообмена и снижение энергетических затрат на нагревание теплоносителя и его расхода за счет предварительного нагревания реакционной смеси непосредственно в самом аппарате перед подачей этой смеси в реакционную зону, увеличение поверхности теплообмена.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the heat transfer process and reduce energy costs for heating the coolant and its consumption due to preheating the reaction mixture directly in the apparatus itself before feeding this mixture into the reaction zone, increasing the heat exchange surface.

Технический результат достигается в массообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус с днищем, выполненным за одно целое с корпусом, съемную крышку со штуцерами подвода и отвода реакционной смеси, сдувки, дренажа, причем на внутренней поверхности цилиндрического корпуса по всей его высоте выполнена спиральная канавка, формирующая тепловую рубашку, соединенную со штуцером входа теплоносителя и штуцером выхода теплоносителя, а внутри цилиндрического корпуса с минимальным зазором установлен съемный цилиндрический стакан, заполненный неподвижным насыпным слоем, состоящий из внешней и внутренней обечаек, и перфорированного днища, при этом на внешней поверхности внутренней обечайки стакана выполнена спиральная канавка, формирующая спиралевидный канал, соединенный со штуцерами подвода и отвода реакционной смеси.The technical result is achieved in a mass transfer apparatus containing a cylindrical body with a bottom made in one piece with the body, a removable cover with fittings for supplying and discharging the reaction mixture, blowing off, and drainage, and on the inner surface of the cylindrical body along its entire height there is a spiral groove that forms a thermal a jacket connected to the coolant inlet and the coolant outlet, and inside the cylindrical body with a minimum gap there is a removable cylindrical cup filled with a fixed bulk layer, consisting of the outer and inner shells, and a perforated bottom, while on the outer surface of the inner shell of the glass there is a spiral a groove that forms a spiral channel connected to the inlet and outlet fittings of the reaction mixture.

На фигурах 1 и 2 представлен общий вид аппарата в разрезе, гдеFigures 1 and 2 show a general view of the apparatus in section, where

1 - корпус, 2 - днище, 3 - крышка, 4 - тепловая рубашка, 5 -неподвижный насыпной слой, 6 - спиралевидный канал, 7 - штуцер вывода реакционной смеси из аппарата, 8 - штуцер ввода исходной реакционной смеси, 9 - штуцер сдувки из аппарата, 10 - штуцер входа теплоносителя в рубашку, 11 - штуцер выхода теплоносителя в рубашку. 12 - стакан; 13 - внешняя обечайка цилиндрического стакана, 14 - внутренняя обечайка цилиндрического стакана, 15 - штуцер дренажа.1 - body, 2 - bottom, 3 - cover, 4 - heat jacket, 5 - fixed bulk bed, 6 - spiral channel, 7 - nozzle for withdrawing the reaction mixture from the apparatus, 8 - nozzle for inlet of the initial reaction mixture, 9 - nozzle for blowing out from apparatus, 10 - connection for the coolant inlet into the jacket, 11 - connection for the coolant outlet into the jacket. 12 - glass; 13 - outer shell of the cylindrical nozzle, 14 - inner shell of the cylindrical nozzle, 15 - drainage fitting.

Описание конкретного варианта выполнения массообменного аппаратаDescription of a specific embodiment of a mass transfer apparatus

Массообменный аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1 с плоским, например, приваренным, днищем 2 и съемной крышкой 3. Крышка оснащена штуцерами подвода 8 и вывода 7 реакционной смеси, штуцером сдувки 9, дренажа 15.The mass transfer apparatus consists of a cylindrical body 1 with a flat, for example, welded, bottom 2 and a removable cover 3. The cover is equipped with 8 and 7 outlet fittings of the reaction mixture, a 9 blow-off fitting, and 15 drainage.

На внутренней поверхности корпуса аппарата 1 по всей его высоте выполнена спиральная канавка. Внутри корпуса 1 с минимальным зазором установлен съемный цилиндрический стакан 12 с двойной обечайкой: внешней 13 и внутренней 14, и перфорированным днищем, заполненный неподвижным насыпным слоем 5. На внешней поверхности внутренней обечайки14 стакана 12 выполнена спиральная канавка. Зазор между обечайками 13 и 14 формирует по всей высоте спиралевидный канал 6. Спиралевидный канал 6 сообщается со штуцером ввода 8 исходной реакционной смеси и служит для приема и пропускания исходной реакционной смеси. Между внешней обечайкой 13 цилиндрического стакана 12 и внутренней поверхностью корпуса 1 аппарата за счет спиральной канавки сформирован спиральный канал - тепловая рубашка 4, теплоноситель в которую подается в боковой штуцер 10, а выходит через штуцер 11 (штуцеры вварены в боковую поверхность корпуса аппарата 1).A spiral groove is made on the inner surface of the body of the apparatus 1 along its entire height. A removable cylindrical cup 12 with a double shell: outer 13 and inner 14, and a perforated bottom, filled with a fixed bulk layer 5, is installed inside the body 1 with a minimum clearance. A spiral groove is made on the outer surface of the inner shell 14 of the cup 12. The gap between the shells 13 and 14 forms a spiral channel 6 along the entire height. The spiral channel 6 communicates with the inlet 8 of the initial reaction mixture and serves to receive and pass the initial reaction mixture. Between the outer shell 13 of the cylindrical glass 12 and the inner surface of the body 1 of the apparatus, a spiral channel is formed due to the spiral groove - a heat jacket 4, the coolant into which is fed into the side fitting 10, and exits through the fitting 11 (the fittings are welded into the side surface of the body of the apparatus 1).

Работа аппарата начинается с подачи теплоносителя в спиральный зазор между внешней обечайкой 13 цилиндрического стакана 12 и внутренней поверхностью корпуса 1 аппарата - тепловую рубашку 4 через штуцер 10, выход теплоносителя осуществляется через штуцер 11. Подаваемый в тепловую рубашку 4 теплоноситель нагревает поверхность обечайки 14.The operation of the apparatus begins with the supply of the coolant to the spiral gap between the outer shell 13 of the cylindrical glass 12 and the inner surface of the body 1 of the apparatus - the heat jacket 4 through the nozzle 10, the coolant is released through the nozzle 11. The coolant supplied to the heat jacket 4 heats the surface of the shell 14.

Исходная реакционная смесь подается в верхнюю часть аппарата через штуцер 8, далее, поступая сверху вниз по спиралевидному каналу 6, постепенно нагревается и поступает в реакционную зону аппарата - неподвижный насыпной слой 5 в направлении снизу-вверх. После чего реакционная смесь выводится из аппарата через штуцер 7.The initial reaction mixture is fed into the upper part of the apparatus through the nozzle 8, then, coming from top to bottom along the spiral channel 6, it gradually heats up and enters the reaction zone of the apparatus - a fixed bulk layer 5 in the direction from bottom to top. After that, the reaction mixture is removed from the apparatus through the nozzle 7.

Такое конструктивное решение позволяет не только нагревать исходную реакционную смесь перед подачей в реакционную зону, но и создать более развитую поверхность теплообмена.Such a constructive solution allows not only to heat the initial reaction mixture before feeding it into the reaction zone, but also to create a more developed heat exchange surface.

Таким образом, конструкция аппарата герметична, что является обязательным условием при работе с радиоактивными средами, обеспечивает возможность предварительного нагревания исходной реакционной смеси непосредственно в самом аппарате, что сокращает расход теплоносителя, энергии на его нагревание, временной период достижения заданной технологией температуры в рабочей зоне аппарата. В качестве исходной реакционной смеси могут выступать как жидкие, так и газовые фазы. Конструкция аппарата позволяет проводить его обслуживание в дистанционном режиме, например, при размещении в радиационно-защитной камере.Thus, the design of the apparatus is hermetically sealed, which is a prerequisite when working with radioactive media, provides the possibility of preheating the initial reaction mixture directly in the apparatus itself, which reduces the consumption of the coolant, the energy for heating it, and the time period for reaching the temperature set by the technology in the working area of the apparatus. Both liquid and gas phases can act as the initial reaction mixture. The design of the apparatus allows it to be serviced remotely, for example, when placed in a radiation-shielding chamber.

Claims

A mass exchange apparatus containing a cylindrical body with a bottom made in one piece with the body, a removable cover with fittings for supplying and removing the reaction mixture, blowing off, drainage, and on the inner surface of the cylindrical body along its entire height there is a spiral groove that forms a heat jacket connected to the coolant inlet and the coolant outlet, and inside the cylindrical body with a minimum gap there is a removable cylindrical cup filled with a fixed bulk layer, consisting of the outer and inner shells, and a perforated bottom, while on the outer surface of the inner shell of the glass there is a spiral groove that forms a spiral a channel connected to the inlet and outlet fittings of the reaction mixture for supplying the initial reaction mixture to the upper part of the apparatus through the inlet fitting, heating it while passing from top to bottom along the spiral channel and entering the reaction zone of the apparatus - stationary on a loose layer with in the direction from bottom to top with subsequent withdrawal through the outlet fitting.