Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам, применяемых в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов абсорбции, экстракции, ректификации и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах разделения нефтешламов, отработанных растворов углеводородов, растворителей  и других веществ для их разделения и очистки на молекулярном уровне.
Известные спиральные металлические насадки, изготовленные из проволоки, свернутой в виде цилиндрической спирали (Насадки массообменных колонн. Под общей редакцией Д.А. Баранова. - М.: Инфохим, 2009. - с. 165-167).
Недостатком данной насадки является небольшая площадь поверхности проволоки, свернутой в виде цилиндрической спирали, что приводит к малой скорости тепломассопереноса между жидкой и газовой (паровой) фазами и снижению производительности тепло-массообменных процессов.
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, и внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига и уложенных упорядоченно в ряды, при  этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
где h и H – соответственно высоты внутреннего и наружного кольца, причем внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным с положительной плавучестью в рабочей жидкости соединено с наружным кольцом на нижнем кольце. (Описание полезной модели к патенту РФ №162267, В01J 19/30, 2016 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность тепло- и массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким динамическим диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора) и необходимость пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным, отличающееся тем, что внутреннее тело вращения выполнено из материала, обладающего эффектом памяти, и соединено с наружным кольцом на верхнем торце, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца лежит в пределах:
где h и H – соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м(Описание полезной модели к патенту РФ №174152, ВО1J 19/30, 2017 г.).
Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов относится недостаточная интенсивность тепло- и массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким резонансным диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора),а также необходимость упорядоченной пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, и внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены на торцовых частях посредством не менее двух пружин, а отношение наружного диаметра внутреннего кольца к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
где h и H – соответственно высоты внутреннего и наружного колец (Описание полезной модели к патенту РФ №148733, В01J 19/00, 2014 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая эффективность массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким резонансным диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора) и необходимость пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является насадка для тепло- и массообменных процессов, которая выполнена в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого на расстоянии друг от друга и жестко соединенных между собой в верхней части, причем одно тело вращения выполнено в виде витой проволочной пружины, а другое тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, при этом витая проволочная пружина установлена внутри полого цилиндра, ее нижний виток расположен под нижним торцом полого цилиндра и выполнен горизонтальным с наружным диаметром, равным наружному диаметру полого цилиндра(Описание полезной модели к патенту РФ №167780, В01J 19/32, 2017 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая эффективность массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким резонансным диапазоном колебаний внутреннего тела (цилиндрической пружины) и необходимость пространственной ориентации насадочных элементов, а также отсутствие возможности проявления динамических свойств в стесненных условиях работы, то есть при загрузке данной насадки внавал.
Техническим результатом предлагаемой конструкции динамической насадки для тепло- и массообменных процессов является увеличение производительности массообменных аппаратов.
Технический результат достигается тем, что динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого на расстоянии друг от друга и жёстко соединённых между собой в верхней части, причём внутреннее тело вращения выполнено в виде пружины, а наружное тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, причем пружина выполнена конической с переменной жесткостью, а наружное тело и коническая пружина переменной жесткости выполнены из полимерных материалов.
Выполнение пружины конической с переменной жесткостью позволяет насадочным элементам проявлять динамические свойства и возбуждать резонансные колебания в широких рабочих диапазонах, при этом динамические свойства и резонансные колебания будут возбуждаться (проявляться под воздействием потоков) потоками сплошных газовой (паровой) или жидкой фаз при различных скоростях течения в каналах насадочных элементов и вне зависимости от их пространственного положения (укладка в упорядоченные слои, либо хаотичная загрузка внавал). В частности, выполнение пружины конической с переменной жесткостью ленточного типа способствует развитию поверхности контакта (парусности) между ленточной пружиной и потоком сплошной газовой (паровой) или жидкой фаз, что приводит к увеличению силы сжатия пружины и способствует активизации динамических свойств и проявлению резонансных колебаний насадочных элементов с повышенной интенсивностью. Кроме того, важнейшим свойством насадочных элементов с коническими пружинами переменной жесткости ленточного типа является обеспечение повышенных показателей удерживающей способности по газовой (паровой) фазе и увеличение суммарной динамической поверхности контакта фаз продуктов массообмена во всех насадочных элементах контактного блока (насадочного слоя). Также динамические тепло- и массообменные насадочные элементы массообменных аппаратов будут способствовать интенсифицирующим эффектам, проявляющимся в самых эффективных гидродинамических режимах работы насадочных колонн, а именно режимах развитой турбулизации и эмульгирования, так как эти режимы проявляются при наивысших показателях инерционных составляющих структур фильтрационных течений через слои насадочных контактных элементов, что будет способствовать активизации динамических свойств и развитию резонансных колебаний пружин переменной жесткости в пределах каждого отдельного элемента.
Выполнение наружного тела и конической пружины переменной жесткости из полимерных материалов придает насадочным элементам большую химическую стойкость и удельную прочность (чем у металлических материалов пружин и наружных тел), что особенно актуально при очистке газовых выбросов (и продуктов массообменных процессов) от сернистых соединений и паров кислот в химической, нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей и других отраслях промышленности. Кислотостойкость и устойчивость к сернистым соединениям обеспечит сохранность поверхностных свойств динамических насадочных элементов, позволит проявлять устойчивые динамические свойства в процессе эксплуатации массообменного оборудования, обеспечит стабильное протекание тепло- и массообменных процессов и устойчивость оптимальных гидродинамических режимов работы массообменных насадочных колонн, что в свою очередь обеспечит высокие показатели улавливания извлекаемых компонентов из газофазных выбросов (на примере процесса абсорбции) и повысит производительность массообменных аппаратов.
На фиг. 1 показан общий вид динамической насадки для тепло- и массообменных процессов, на фиг. 2 и фиг. 3 – варианты исполнения заявляемой насадки с конической пружиной с переменной жесткостью ленточного типа.
Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из выполненных из полимерных материалов наружного тела вращения 1, выполненного в виде полого цилиндра, внутри которого соосно на расстоянии установлено внутреннее тело, выполненное в виде конической пружины 2 с переменной жесткостью. Наружнее тело вращения 1 и коническая пружина 2 жёстко соединены между собой в верхней части и выполнены из полимерных материалов. Коническая пружина 2, помимо прочего, может быть ленточного типа.
Динамические тепло- и массообменные насадочные элементы могут засыпаться внавал или укладываться в упорядоченные ряды, в зависимости от требований конкретного массообменного процесса и аппарата и габаритных размеров насадочных элементов.
Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом.
Динамические тепло- и массообменные насадочные элементы, состоящие из выполненного из полимерных материалов наружного тела вращения 1 в виде полого цилиндра, жестко скрепленного в верхней части с соосно установленной внутри него выполненной из того же полимерного материала конической пружиной 2 с переменной жесткостью, засыпаются в колонну внавал или укладываться в упорядоченные ряды.
Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ(пар)в случаях применения данной насадки для процессов абсорбции или ректификации. В случае жидкостной насадочной экстракции, экстрагент и раствор могут осуществлять через насадку различные схемы тока, противоток или прямоток. Под действием потока газа (пара) или импульса колебаний столба жидкости (насадочная пульсационная экстракция) каждая коническая пружина 2 совершает резонансные колебания, которые приводят к локальной турбулизации в пределах каждого насадочного элемента, передаются всплывающими пузырьками газа, приводят к активизации омывания пленок жидкости, покрывающих конические пружины 2, либо активизируют взаимное перемешивание продуктов экстракции. Этот эффект приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа (пара) и жидкости (для абсорбции и ректификации), к активизации диффузионных процессов и взаимному перемешиванию жидкофазных продуктов экстракции, что в целом приводит к увеличению производительности тепло- и массообменных аппаратов. При этом, применение конических пружин переменной жесткости 2 ленточного типа обеспечивает повышенный контакт пружин с потоками сплошных газовой (паровой) или жидкой фаз, что приводит к большим усилиям сжатия пружин 2 и активизации динамических и резонансных свойств насадочных элементов, что в свою очередь обеспечивает повышенные показатели удерживающей способности по газовой (паровой) фазе и увеличению суммарной динамической поверхности контакта фаз продуктов массообмена во всех контактных элементах насадочного слоя. Также динамические тепло- и массообменные насадочные элементы массообменных аппаратов с применением конических пружин переменной жесткости 2 ленточного типа будут способствовать интенсифицирующим эффектам, проявляющимся в самых эффективных гидродинамических режимах работы насадочных колонн, а именно режимах развитой турбулизации и эмульгирования, так как эти режимы проявляются при наивысших показателях инерционных составляющих структур фильтрационных течений через слои насадочных контактных элементов, что способствует активизации динамических свойств и развитию резонансных колебаний пружин переменной жесткости в пределах каждого отдельного насадочного элемента. Выполнение наружного тела и конической пружины переменной жесткости из полимерных материалов придает насадочным элементам большую химическую стойкость и удельную прочность (чем у металлических материалов пружин и наружных тел), что особенно актуально при очистке газовых выбросов от сернистых соединений и паров кислот в процессах абсорбции химической, нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей и других отраслях промышленности. То есть выполнение насадочных элементов из полимерных материалов позволяет существенно расширить спектр применения динамических насадочных элементов и продлить срок службы (и ревизионного обслуживания) в самых неблагоприятных (с точки зрения химических агрессивных воздействий) условиях осуществления массообменных процессов. Кислотостойкость и устойчивость к сернистым соединениям обеспечит сохранность поверхностных свойств динамических насадочных элементов, позволит проявлять интенсифицирующие динамические свойства в процессе всего срока эксплуатации массообменного оборудования, обеспечит стабильное протекание тепло- и массообменных процессов и устойчивость оптимальных гидродинамических режимов работы массообменных насадочных колонн, что в свою очередь обеспечит высокие показатели улавливания извлекаемых компонентов из газовых выбросов (на примере процесса абсорбции) и повысит производительность массообменных аппаратов.
Таким образом, выполнение пружины конической с переменной жесткостью из полимерного материала, также как и наружного тела, приводит к интенсификации массообменных процессов и активизации диспергирования и микроперемешивания жидкофазных продуктов экстракции и турбулизации газо-жидкостной смеси (абсорбция и ректификация) не только во всем объеме массообменной насадки, но и в пределах каждого отдельного насадочного элемента. И эти локальные интенсифицирующие эффекты проявляются естественным образом, без дополнительных энергетических затрат, за счет энергии пульсационных колебаний столба жидкости в экстракционной колонне или скоростей газовой и паровой фаз, омывающих насадочные элементы в процессах абсорбции и ректификации. Кроме того, разработанные динамические насадочные элементы не предъявляют строгих требований к характеру укладки и пространственной ориентации, проявляя турбулизирующий эффект в любых положениях, что существенно упрощает пуско-наладочные операции и ревизионное обслуживание технологического оборудования в процессе эксплуатации.