5. Смесительные теплообменные аппараты.

Аппараты с непосредственным контактом газа и жидкости используют для снижения темп-ры отходящих газов, в системах кондиционирования, для очистки газов, для выпаривания растворов, и т. п. В таких аппаратах могут одновременно протекать процессы пылеулавливания, тепло- и массообмена.

По конструктивным признакам различают следующие типы теплообменных аппаратов смешения:

• камеры орошения в системах кондиционирования и полые скрубберы для мокрой очистки и охлаждения промышленных газов;

• каскадные и насадочные скрубберы;

• барботажно-пенные аппараты;

• скрубберы Вентури;

• пленочные смешивающие подогреватели.

К амеры орошения испо-льзуются для увлажнения/ осушения и охлаждения воздуха. На рис.: 1- форсу-нки; 2 – брызгоотделитель; 3 – подогреватель воздуха ( при необходимости ); 4 – вентилятор.

П олые форсуночные скрубберы предназначены для мокрой очистки и охла-ждения газов. Представляют собой колонны круглого или прямоугольного сечения, в которых осуществля-ется контакт между газами и каплями жидкости, рас-пыляемой форсунками. Скрубберы делятся на проти-воточные, прямоточные и с поперечным подводом жидкости. При мокром обеспыливании применяют противоточные аппараты. Прямоточные скрубберы используются при испарительном охлаждении газов.

На рис.: 1 – корпус; 2 – газораспределительная решетка для лучшего распределения газов; 3 – фор-сунки. В противот. скруббере капли из форсунок падают навстречу потоку газов и поэтому они должны быть крупными, чтобы не быть унесенными потоком, скорость которого 0,7 - 1,5 м/с. По этой причине используют форсунки грубого распыления, работа-ющие при давлении 0,3–0,4 МПа. При скоростях более 5 м/с необходима

установка каплеуловителя. Высота аппарата обычно в 1,5 – 2,5 раза превышает е го диаметр. Форсунки устанавливают в одном или нес-кольких сечениях. Факел распыла может быть направлен сверху, вниз или под углом. Удельный расход жидкости от 0,5 до 8 л/м³ газа.

Достоинства: простота конструкции, очистка силь-нозагрязнённых газов, незначительное гидравлическое сопротивление, небольшие эксплуатационные расходы.

Недостатки: большие размеры,  малая эффектив-ность при улавливании пыли размером менее 5 мкм.

Каскадные теплообменники используются в системах кондиционирования. На рис.: 1 – форсунки; 2 – каскады (пластины). Они имеют более развитую поверхность контакта чем камеры орошения и полые скруберы, а следовательно меньшие размеры.

Н асадочные скрубберы представляют собой колонные аппараты с неподвижной насадкой в виде колец, шаров или тел другой формы, засыпаемых в колонну на опорную решетку. На рис.: 1- опорная решётка; 2 – насадка; 3 – оросительное устройство. Насадка предназначена для увеличения поверхности кон-такта. Жидкость течет пленкой по насадке, газ проходит противотоком. Используют для улавливания хорошо сма-чиваемой или хорошо растворимой пыли, но при невысо-кой ее концентрации, поскольку в противном случае проис-ходит частое забивание насадки. Скорость газов 0,8-1,3 м/с. Сопротивление 300-800 Па. Расход орошающей жидкости 0,15-0,5 л/м³. По сравнению с полыми скрубберами имеет значительно меньшие размеры, но повышенное гидравлическое сопротивление и большие затратами на обслуживание.

Разновидностью насадочных скрубберов являются аппараты с подвижным или псевдоожиженным слоем. В качестве насадки здесь используются шары (или др. тела) из полимерных материалов, стекла или пористой резины. Для обеспечения свободного перемещения насадки плотность шаров не должна превышать плотность жидкости. На рис.: 1 – опорная тарелка; 2 – насадка; 3 – отражательная тарел-ка; 4 – ороситель; 5 – брызгоуловитель.

Эти аппараты работают при повышенных скоростях 5-6 м/с при удельном орошением 0,5–0,7 л/м3. Высокая ско-рость газов привотит к плаванию тел насадки и к значите-льному увеличению высоты слоя. Вследствие непрерывно-го изменения расстояния между телами и их соударений интенсифицируется осаждение пыли, что даёт высокую эффективность.

Допустимая скорость газов, отнесенная к полному сечению аппарата :

,

где Q_Ж, Q_Г – расходы жидкости и газа; s₀ - доля свободного сечения опорной тарелки, равная в среднем 0,4 м²/м² ; при очистке газов, содержащих смолистые вещества и пыль, склонную к образованию отложений, применяют опорные тарелки с долей свободного сечения до 0,6 м²/м².

Оптимальный диаметр шаров d = 20–40 мм. Если D – диаметр аппарата, то необходимое условие D / d > 10.

Минимальная статическая высота слоя насадки Hст.min = (5-8) d, а максимальная не должна превышать диаметр аппарата Hст.max < D.

Б арботажно-пенные аппараты применяют для очистки газов, они бывают двух типов : а) с провальной тарелкой; б) с пе-реливной тарелкой. На рис. 1- корпус, 2 - слой жидкости и пены, 3 – тарелка. Газ поступает под тарелку 3, проходит через отверстия в ней и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от пыли за счет её осаждения на внутренней поверхности газовых пузырей. При скорости газа до 1 м/с наблюдается бар-ботажный режим работы. При скорости 2 - 3 м/с наблюдается возникновение пенного слоя, что приводит к повышению эффективности очистки. Современные аппараты обеспечивают эффективность очистки газа от

мелкодисперсной пыли на 95 - 96% при удельном расходе воды 0,4-0,5 л/м³.

В аппарате с провальными тарелками жидкость уходит ч-з отверстия в та-релках. Здесь применяются тарелоки дырчатые и щелевые. Диаметр отверстий в тарелках 4–8 мм; ширина щели 4–5 мм, а доля свободного сечения колеблется в пределах 0,2–0,25 м²/м². В аппаратах с переливными тарелками устанавлива-ют только дырчатые тарелки с более мелкими отверстиями. Гидравлическое сопротивление тарелки со слоем пены составляет 300–1000 Па.

С круббер Вентури – это устройство для очистки газов от микронной и субмикронной пыли (обеспечивает улавлива-ние тумана на 99…100 %, пыли 0,01 - 0,35 мкм – на 50…85 % и пыли 0,5 - 2 мкм – на 97 %.). На рис.: 1 – каплеулови-тель; 2 – диффузор; 3 – горловина; 4 – конфузор. 

Скруббер Вентури состоит из трёх секций: сужающей-ся части ( конфузор ), горловины и расширяющейся части ( диффузор). Поток газа поступает в конфузор со скоростью 15 - 20 м/с, где площадь поперечного сечения постепенно уменьшается и скорость увеличивается до 60 - 150 м/с ( иногда до 430 м/с ). В конфузор или в горловину подаётся жидкость. Поскольку газ двигается с повышенной скоростью, то здесь наблю-дается значительная турбулентность. Она разбивает поступающую жидкость на очень мелкие капли. Пыль, содержащаяся в газе, оседает на поверхности этих

капель. В диффузоре скорость уменьшается снова до 15 - 20 м/с, турбулент-ность снижается и капли собираются в более крупные. На выходе капли жид-кости с адсорбированными на них частицами пыли отделяются от газа. Скруб-беры Вентури эффективно работают при запыленности газов до 30 г/м³ и при температуре до 400 °С. Удельный расход воды составляет 0,5 - 6,0 л/м³.

Эти аппараты разделяют на высоконапорные и низконапорные. Первые при-меняются для тонкой очистки и имеют высокое гидравлическое сопротивление 20-30 кПа. Низконапорные используются для подготовки газов перед другими пылеулавливающими аппаратами и для очистки от частиц пыли крупнее 3 мкм. Их гидравлическое сопротивление не превышает 3-5 кПа.

Ж идкость в трубы Вентури чаще всего по-дается через форсунки, установленные в кон-фузоре с осевым направлением факела распы-ла (а). Число форсунок определяется расходом жидкости. Могут использоваться орошения периферийное (б), пленочное с подачей жидкости в виде пленки в центральную зону (в) и бесфорсуночное с подводом жидкости за счет энергии газового потока (г).

Ф орсуночное орошение (а,б) обеспечивает более тонкое диспергирование капель и самую высокую степень пылеулавливания. Плёночная подача (в) ис-пользуется при орошении трубы загрязненной оборотной жидкостью для пре-дотвращения образования отложений на стенках. Бесфорсуночное орошение (г) предпочтительно при использовании сильно загрязненной оборотной жидкости. Возможно совместное пленочное и форсуночное орошение.

Основной проблемой эксплуатации скруббера Вентури является абразивный износ стенок вследствие высоких скоростей газа. Они имеют большой расход энергии для преодоления высокого гидравл. сопротив-я, сложны в эксплуатации и управлении.

Схема очистной установки состоит из трубы Вентури 1 и двух циклонов-каплеуло-вителей 2. Запыленный газ поступает в кон-фузор, куда также вводится через форсунку 3 орошающая жидкость. Крупные капли выво-дятся из нижнего штуцера 4, а мелкие с пото-ком газа поступают в циклоны. Жидкость с частицами пыли выводится через нижние штуцеры 5 циклонов, а очищенный газ – че-рез верхние улиточные газоотводы 6. Загрязненная жидкость собирается в сбо-рнике 7, откуда насосом 8 подается в форсунку 3. Такая циркуляционная си-стема позволяет подобрать расход жидкости, обеспечивающий максимальную степень пылеулавливания.

Для обеспечения надежной работы форсунки, в сборник 7 непрерывно

подается свежая жидкость V2 и в таком же количестве выводится загрязненная

V 1. Расход жидкости определяется тепловым балансом работы пылеуловителя из условия, что температура выходящей воды не должна превышать 40–45 °С. Содержание пыли в оборотной воде не должно превышать 0,5 кг/м³. Эта кон-центрация пыли является условием, определяющим расход свежей воды. Основное требование к системе орошения – надежность ее работы. Наиболее уязвимым местом по засоряемости является сопло форсунки и особое внимание следует уделять выбору его диаметра.

Плёночные смешивающие подогреватели работают обычно в системах подогрева воды с незначительным избыточным давлением 1-5 кПа. На рис. 1 – подача воды; 2 – удаление воздуха; 3 – подача греющего пара; 4 – концентрические цилиндры; 5 – нагретая вода.

Нагревание воды водяным паром может быть практически до температуры насыщения пара. Преимущество этой конструкции заключается в простоте, компактности, меньшем весе и независимости коэффициента теплообмена от чистоты поверхности, т.е. от загрязнения её накипью, маслом и пр.

Недостаток – повышенная коррозия поверхности аппарата и трубопроводов из-за наличия в воде значительного количества кислорода.