Насадка для тепло- и массообменных процессов

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам, применяемых в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов 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.
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого тел вращения из спиральной полосы, оба тела вращения имеют идентичную форму и выполнены в виде коаксиальных цилиндрических поверхностей, причем внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, а высота внутреннего и наружного тел вращения одинаковая (авторское свидетельство СССР №701675, МПК B01D 53/20, 05.12.1979 г.).
К недостаткам этой насадки относится недостаточное увеличение поверхности контакта фаз из-за выполнения обоих тел вращения из спиральной полосы, а также невозможности совершать колебания из-за жесткого соединения внешнего в внутреннего тел вращения друг с другом, что уменьшает интенсивность тепло- и массообменных процессов и приводит к снижению производительности.
Известна прозорная (щелевая) насадка, состоящая из опорной крестовины и насадки, причем насадка выполнена в виде спирали (Сокол Б.А., Чернышев А.К. и др. Насадки массообменных колонн. – М., 2009, 358с.).
Недостатком данной прозорной насадки является невозможность проведения барботажа на самой поверхности насадки, что снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является 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 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 недостаткам этой конструкции относится недостаточная поверхность обоих тел вращения, выполненных в виде колец Рашига, что не позволяет интенсивно проводить на поверхности контакта фаз тепло- и массопередачу между паром и жидкостью, а значит снижает производительность по этому компоненту и всей конструкции в целом.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепло- и массообменных процессов ректификации является увеличение производительности.
Технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных на верхней торцевой части посредством двух пружин тел, имеющих форму цилиндрических поверхностей, и внутреннее тело расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига, и соединены на торцовых частях посредством не менее двух пружин, а отношение наружного диаметра внутреннего тела к внутреннему диаметру кольца Рашига равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
(1)
где h и H – соответственно высоты внутреннего тела и кольца Рашига,  мм,  причем внутреннее тело выполнено свернутым по спирали с зазором, определяемым выражением:
∆=(0,080,12)d,                                             (2)
где ∆ - зазор между витками спирали внутреннего тела, мм;
d – наружный диаметр внутреннего тела, мм.
Выполнение внутреннего тела свернутым по спирали с зазором в пределах, соответствующих выражению (2), позволит увеличить поверхность контакта фаз, что способствует увеличению скорости тепло- и массопередачи, а значит и производительности.
Уменьшение нижнего предела соотношения (2) увеличивает гидравлическое сопротивление, вызывает неравномерность орошения жидкостью и скорости газа внутри витков спирали внутреннего тела, что снижает поверхность тепло- и масообмена, а значит и производительность.
Увеличение верхнего предела соотношения (2) уменьшает число витков спирали внутреннего тела, а значит поверхность, что также снижает производительность.
На фиг. 1 в разрезе изображено кольцо Рашига с внутренним телом, выполненным свернутым по спирали, на фиг.2 изображен вид сверху на насадку.
Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного тела вращение в виде кольца Рашига 1 с внутренним диаметром D и высотой H и внутреннего тела 2, выполненного свернутым по спирали с наружным диаметром d и высотой h, с зазором между витками ∆, подчиняющимся выражению (2). Отношение наружного диаметра d внутреннего тела 2 к внутреннему диаметру D кольца Рашига 1 равно 0,7, а отношение их высот подчиняется условию (1). Верхние торцы обоих тел 1 и 2 соединены между собой двумя пружинами 3. Насадка может укладываться в навал внутри аппарата или упорядоченно в ряды. Торцы наружных тел – колец Рашига 1 –  не взаимодействуют с торцами внутренних тел 2, и последние могут свободно колебаться на пружинах 3 внутри колец Рашига 1.
Насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом.
Насадка засыпается в навал или устанавливается в ряды внутри аппарата. Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ. Под действием потока газа каждое внутреннее тело 2, свернутое по спирали, совершает колебания, которые передаются стекающей по нему пленке жидкости, тем самым увеличивая скорость ее течения по насадке и площадь поверхность. Это обстоятельство приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа и жидкости, а значит и к увеличению производительности тепло- и массообменных процессов в целом. Так как высота h внутреннего тела 2 меньше высоты H наружного кольца Рашига 1, и отношение этих высот соответствует условию (1), то смежные торцы наружного кольца Рашига 1 не соприкасаются с торцами внутреннего тела 2, выполненного свернутым по спирали, позволяя ему под действием потока газа совершать свободные колебания с высокой амплитудой. Это обстоятельство приводит к еще большему увеличению производительности тепло- и массообменных процессов. Механическую прочность предлагаемой насадки обеспечивают наружные кольца Рашига 1. Кроме того, при заявленном отношении наружного диаметра d внутреннего тела 2 к внутреннему диаметру D наружного кольца Рашига 1 равного 0,7, площади g внутреннего тела 2 и кольцевого зазора между наружным кольцом Рашига 1 и внутренним телом 2 равны, что обеспечивает одинаковые скорости газового и жидкостного потоков в этих сечениях, предотвращает образование застойных зон и увеличивает производительность тепло- и массообменных процессов в целом.
Таким образом, изготовление наружного кольца Рашига 1 вместе с внутренним телом 2, выполненным свернутым по спирали, с зазором между витками, определяемым выражением (2), приводит к увеличению поверхности тепло- массопередачи предлагаемой конструкции, а также упросщает в изготовлении саму конструкцию, что способствует увеличению производительности.