Новый класс контактных устройств.

Традиционные тарельчатые контактные устройства (КУ), обладая достаточно высокими стоимостными и эксплуатационными параметрами, существенно уступают насадочным КУ по габаритно-массовым и гидравлическим характеристикам.

Основная цель, поставленная нашей фирмой при разработке КУ нового типа — сохраняя достоинства тарельчатых КУ, найти принципиально новое решение по интенсификации тепломассообменного процесса между паровой и жидкой фазами, (что позволит радикально сократить высоту тарелки),с одновременным значительным снижением массы КУ и перепадом давления на нем.

В разработанной принципиально новой конструкции контактного устройства (КУ) реализован принцип максимальной турбулизации газожидкостной системы, при котором обеспечивается предельная интенсификация тепломассообменных процессов между потоками пара и жидкости.

Это КУ обладает уникальными характеристиками, что, в сочетании с оригинальной конструкцией, дает автору основания отнести его к новому классу контактных устройств, осуществляющих классическую форму тепломассообмена.

КУ представляет собой параллельное объединение элементарных модулей (вихревых ячеек) в единую плоскую, выпуклую или прогнутую поверхность - тарелку с вихревыми ячейками (ТВЯ). Толщина тарелки равна высоте отдельной вихревой ячейки (патент № 19770). На рис.1 (вид сверху и снизу) и рис.2 (вид сбоку) изображен один из вариантов объединения вихревых ячеек в плоскую круглую сотовую конструкцию. Каждой сотой этой конструкции является вихревая ячейка, изображенная на рис.3 (вид сверху и снизу) и рис.4 (вид сбоку).

Ячейка, выполненная из металлической фольги (200-300 мкм), представляет собой цилиндрический стакан 1, верхняя кромка 2 которого имеет форму шестигранника, а дно, в форме диска, служит в качестве элементарной вихревой тарелки 3. В периферийной части вихревой тарелки отштампованы радиальные наклонные прорези 4 (рис.5) для прохода пара по касательной к диску и имеются узлы перелива жидкости (не показаны). Все ячейки по своим верхним шестигранным кромкам 2 и нижним точкам касания 5 в области вихревой тарелки соединены между собой в единую конструкцию (рис.1 и 2), обладающую легкостью, прочностью и жесткостью сотовых конструкций, используемых в летательных аппаратах.

Работа тарелки с вихревыми ячейками практически полностью определяется работой отдельной вихревой ячейки, изображенной на рис.6. Сверху на ячейку поступает жидкость, а снизу - пар. Пар проходит сквозь наклонные и радиально расположенные на вихревой тарелке 3 прорези 4 и закручивает жидкую фазу 6, находящуюся в стакане 1. Набегающий поток вращающейся жидкости 6, в свою очередь, способствует образованию на прорезях 4 мелких пузырьков пара, пульсации их формы, их дроблению и перемешиванию, в результате чего увеличивается поверхность тепломасообмена, происходит быстрое выравнивание концентраций веществ в каждой фазе, т.е. сам процесс существенно интенсифицируется.

Вращающийся (500-1000 об/мин) поток жидкости с пузырьками пара образует по высоте стакана область смешения I, поверхность которой имеет форму мениска 7. За счет одновременно действующих в этой зоне процессов раскручивания нижних слоев жидкости и торможения (о стенки стакана) верхних слоев жидкости происходит интенсивное вихревое (турбулентное) смешение двух фаз, откуда и проистекает название самих вихревых элементов.

Над зоной вихревого смешения I существует пенный слой II, состоящий из всплывших пузырьков пара. Однако величина этого слоя мала из-за быстрого его разрушения под воздействием центробежных сил. Основная масса пенного слоя разрушается вблизи боковых стенок стакана, при этом брызги жидкости 11 от лопающихся пузырьков оседают на его стенки и в виде капель 12 стекают вниз, пополняя собой зону I. Пристеночное разрушение пенного слоя вызывает его направленное и ускоренное перемещение от оси вращения к периферии, в результате чего толщина слоя уменьшается от центра к стенке стакана 1. Таким образом, пенный слой в основном заполняет только менисковое углубление зоны смешения I.

Выше существует зона III, в которой происходит сепарация брызг 11, образующихся в результате преждевременного разрушения отдельных пузырьков пара пенного слоя. Их сепарация осуществляется за счет остаточной энергии вращения освобожденного из пенного слоя II пара. Значимость зоны сепарации, с точки зрения эффективности работы вихревой ячейки в составе объединенного устройства, незначительна, и при выборе межтарельчатого расстояния из конструктивных соображений эту зону можно не учитывать.

Основные факторы, определяющие работу вихревого элемента:

конструктивные параметры: диаметр вихревой тарелки, длина радиальной щели, размер самой наклонной щели, их количество, высота зоны смешения и высота самого вихревого элемента;
жидкостная и газовая нагрузка на вихревой элемент;
природа взаимодействующих фаз.

Также отметим, что эффект вихревого взаимодействия паровой и жидкой фаз полностью определяется угловой скоростью вращения жидкости в ячейке.

Как показали расчеты и результаты экспериментов, существует оптимальный диаметр элементарной вихревой ячейки, который, в зависимости от природы взаимодействующих фаз, лежит в диапазоне 30…100 мм. Именно поэтому контакткные устройства больших диаметров на базе вихревых ячеек должны собираться по модульному принципу из элементарных ячеек.

КУ с вихревыми ячейками прошли экспериментальную отработку в ректификационной колонне малой производительности по производству спирта. Результаты экспериментов показали, что номинальная производительность по пару таких КУ достигает 6200кг/(м²ч) (средняя скорость паров спирта в полном сечении колонны 1.1м/с), а КПД КУ составляет порядка 95…98 % , причем работа колнны не нарушается при отклонениях ее продольной оси от вертикали до 20°.

Однако не менее значительный результат - высота зоны смешения вместе с пенным слоем не превысила 25…30 мм, что позволило расположить вихревые тарелки в колонне с шагом 40 мм при гарантированном отсутствии межтарельчатого переноса жидкости.

Новые контактные устройства уже нашли применение в промышленных колоннах (ЛУММАРК).