Пакетная насадка для контактирования смеси веществ

Полезная модель относится к конструкциям для контактирования в поле сил тяжести смеси веществ в разном агрегатном состоянии - газа, жидкости и твердого дисперсного вещества, предназначенного для тепломассообмена между ее компонентами-фазами или их сепарации преимущественно в противоточном процессе, и может применяться в тепломассообменных, сорбционных и экстракционных процессах, в химической, гидрометаллургической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Известна насадка для контактирования газа и жидкости (см. патент на изобретение SU 1204240 A3, МПК B01D 53/20, опубликовано 15.01.1986), содержащая собранные в пакеты и расположенные друг над другом ячейки, образованные отдельными стенками, нижние концы которых выполнены отогнутыми навстречу друг другу. В каждой ячейке нижние концы стенок установлены с перекрытием друг друга с образованием сопла, а верхний конец одной стенки, расположенный по ходу движения фаз, выполнен отогнутым внутрь ячейки. Кроме того, ячейки опираются одна на другую или отдалены по высоте на расстояние, равное не более трехкратной высоты ячейки.
Недостатком этой насадки является низкая интенсивность перемешивания фаз в ячейке, в частности по причине отсутствия в верхней ее части аналогичного сопла, что снижает эффективность тепломассообмена.
Известна пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных аппаратов (см. патент на изобретение RU 2205063 С1, МПК B01J 19/32, опубликовано 27.05.2003), состоящая из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, при этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе в ячейку за счет загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель. На выходе газового потока из ячейки окончания обеих стенок также выполнены загнутыми внутрь ячейки, перекрывая фронтальную щель и образуя второй завихритель. Кроме того, поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта регулярной шероховатостью и/или перфорацией любой формы.
Недостатком этой насадки является низкая интенсивность перемешивания фаз в ячейке, в частности по причине расположения обоих ее завихрителей параллельно друг другу.
Наиболее близким к предложению заявителя по совокупности технических признаков является принятая за прототип пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных колонных аппаратов (см. патент на изобретение RU 2416461 С1, МПК B01J 19/32, опубликовано 20.04.2011), состоящая из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, при этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе и на выходе ячейки за счет загнутых внутрь окончаний, образующих завихрители на входе и на выходе из ячейки. Завихрители на входе и выходе в каждой ячейке расположены перпендикулярно друг другу. Кроме того, поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта шероховатостью и/или перфорацией любой формы.
Недостатком этой насадки является сложность и трудоемкость соединения между собой образующих ячейку стенок, ячеек в слой в горизонтальной плоскости, и слоев в единый пакет по высоте, что усложняет и удорожает конструкцию и снижает ее надежность и срок эксплуатации. Кроме того, это соединение не предполагает возможности изменения геометрии ячеек в собранном пакете, что затрудняет оптимизацию и достижение максимальной производительности технологического процесса.
Заявляемая полезная модель предназначена для достижения технического результата - упрощения и удешевления конструкции, повышения ее надежности и срока эксплуатации и увеличения производительности.
Технический результат достигается в заявленной пакетной насадке для контактирования смеси веществ за счет того, что она выполнена в виде одинаковых гофрированных листов с плоскими стенками, отогнутыми в горизонтальной плоскости под прямым углом друг к другу вдоль вертикальных гребней, соединенных в единый пакет совмещением в горизонтальной плоскости до соприкосновения гребней и вертикальным сдвигом соседних листов вдоль гребней, с образованием между стенками листов множества одинаковых ячеек в форме правильного параллелепипеда, стенки которых образованы прорезанными в стенках листов окончаниями прямоугольной формы, имеющими попарно общее основание и сдвинутыми в вертикальном направлении в соседних стенках листа, и одинаковыми с ними по форме отверстиями, образованными отогнутыми в противоположные стороны от стенки листа окончаниями и окруженными по периметру не отогнутыми перемычками, из которых горизонтальная средняя перемычка является основанием каждой пары окончаний, горизонтальная крайняя перемычка разделяет по высоте соседние окончания, а вертикальная перемычка изогнута гребнем, причем, в соседних по высоте стенках ячеек одноименные окончания отогнуты в противоположные стороны, а величина отгиба кромки окончания от стенки листа больше половины ширины ячейки. Кроме того, соседние листы соединены между собой или жестким закреплением в зоне контакта, или с возможностью вертикального перемещения вдоль гребней относительно друг друга с использованием вспомогательного механизма их перемещения.
На представленной фиг. 1 схематично изображены два одинаковых соприкасающихся гофрированных листа, образующих между собой одинаковые ячейки и составляющих часть единого пакета насадки.
2
2
2
2
1
1
3
4
1
2
1
2
3
Пакетная насадка для контактирования смеси веществ состоит из нескольких объединенных в единый пакет и одинаковых по технологии изготовления листов 1, например, из металла, гофрированных, например, на профилегибочном станке с образованием плоских стенок 2, расположенных в горизонтальной плоскости под прямым углом друг к другу. Перед операцией гофрирования в предварительно размеченных листах прорезаются окончания 3 в виде незамкнутой просечки прямоугольного профиля с шириной l и высотой h, образующие после их отгибания от стенок 2 в противоположные от нее стороны одинаковые с ними по форме отверстия 4 шириной l и высотой h, окруженные по периметру не отогнутыми перемычками вертикальной 5 шириной l и горизонтальными крайней 6 высотой h и средней 7 высотой h. Крайние перемычки 6 разделяют по высоте соседние окончания 3, а средняя перемычка 7 является основанием смежных окончаний 3. Стенки 2 отогнуты вдоль перемычек 5 и поперек перемычек 6 и 7 с образованием гребней 8, причем, в соседних с гребнями стенках 2 окончания, отверстия и перемычки смещены по высоте на сдвиг h. Таким образом, после гофрирования листа 1 и отгибания окончаний 3 от стенок 2 в них образуются смежные через гребень 8 стенки ячеек с равными длиной и шириной L=l+l и высотой H=h+2h+h, причем, в соседних по высоте стенках ячеек одноименные окончания 3 отогнуты в противоположные стороны.
Листы 1 соединены в единый пакет со сдвигом соседних листов на высоту Δh до соприкосновения своими гребнями 8 в горизонтальной плоскости с образованием множества ячеек 9. Таким образом, каждая ячейка 9 представляет собой объем правильного параллелепипеда со стороной квадрата основания L и высотой Н, у которого боковые ребра образованы согнутыми перемычками 5, в гранях оснований в форме квадратных фронтальных отверстий нет закрепленных элементов, а в каждой боковой грани имеются, два окончания 3, закрепленных на средней перемычке 7, две крайних перемычки 6 и два отверстия 4. При этом, из всех окончаний 3 только четыре загнуты внутрь данной ячейки, а остальные четыре - наружу в соседние четыре ячейки по одному в каждую ячейку. Загнутые внутрь ячейки четыре окончания 3 образуют попарно два завихрителя 10 в виде незамкнутых криволинейных каналов прямоугольного сечения, расположенных в зоне торцов ячейки перпендикулярно друг другу.
1
2
1
2
1
1
1
4
4
1
4
3
1
4
3
2
Прямоугольная форма окончаний 3 и отгибание их кромки от стенок 2 на величину Δl>L/2 обеспечивает практически полное перекрытие фронтальных отверстий в зоне торцов ячейки 9 за исключением щелей, которые образуются в зоне контакта гребней 8. Отношение суммарной площади S этих щелей к площади горизонтального сечения ячейки S составляет S/S=(l/L) и уменьшается до нуля с уменьшением l. Для полного перекрытия фронтальных щелей необходимо исключить вертикальные перемычки 5 с l=0, что упрощает и удешевляет конструкцию, но снижает ее жесткость. При этом, для образования гребней 8 возникает ограничение на высоту h сдвига соседних через гребень ячеек, а именно, необходимо выполнение хотя бы одного из условий h/h<l или h/h<1. При исключении еще и горизонтальных перемычек 6 с h=0, что также упрощает и удешевляет конструкцию, но снижает ее жесткость, необходимо выполнение условия h/h<1, так как при этом отверстия 4 сообщаются между собой только через перемычку 7.
3
4
3
4
При сборке листов 1 и их вертикальном сдвиге величиной Δh<Н-(h+h) отогнутые внутрь ячейки 9 окончания 3 в смежных ее стенках соприкасаются друг с другом в зоне средней перемычки 7, препятствуя сборке. При Δh~H аналогичное препятствие возникает из-за соприкосновения окончаний 3 друг с другом в противоположных стенках ячейки 9 в зоне их отогнутых кромок. Таким образом, для обеспечения сборки листов 1 необходимо выполнение условия Н-(h+h)<Δh<Н. Соединение соседних листов 1 между собой может быть выполнено или жестким, например, сваркой в зоне их контакта или подвижным, например, с использованием вспомогательного механизма вертикального перемещения одновременно всех соседних через один листов, относительно закрепленных остальных, например, листов с четными номерами, относительно листов с нечетными номерами. Это позволяет регулировать сечение каналов завихрителей 10 вплоть до нуля одновременно во всем объеме пакета насадки в указанном интервале вертикального сдвига Δh соседних листов 1.
Пакетная насадка для контактирования смеси веществ работает следующим образом, например, в противоточном массообменном процессе взаимодействия газа и жидкости в качестве легкой и тяжелой фаз смеси. Тяжелая исходная фаза вводится под давлением в виде дисперсных капель в верхний торец пакета насадки и после прохождения сквозь него вниз за счет разности плотностей в поле сил тяжести вытекает из его нижнего торца вниз в виде капель. Легкая исходная фаза водится сплошным потоком под давлением в нижний торец пакета насадки и после прохождения сквозь него вверх за счет разности плотностей выходит из его верхнего торца сплошным потоком. Соотношение массовых потоков обеих фаз выбирается из условия, чтобы скорость потока сплошной фазы не превышала скорости витания капель дисперсной фазы в зоне входа дисперсной фазы в верхний торец пакета насадки, что гарантирует отсутствие обратного уноса ее капель, ухудшающего технологические показатели процесса.
После входа капель дисперсной фазы внутрь ячейки 9 она попадает в поле массовых инерционных сил с быстро изменяющимися во времени и пространстве компонентами и градиентом давления, которым характеризуется близкий к турбулентному режим течения и перемешивания смеси фаз в ней, чему способствуют завихрители 10. Часть более крупных капель дисперсной фазы после контакта со смачиваемыми ими стенками ячейки выходит из смеси и образует на стенке тонкую пленку слившихся капель. Эта пленка стекает по стенкам вниз за счет разности плотностей фаз в поле сил тяжести до кромок окончаний 3 и перемычек 6. При этом, пленка, стекающая вниз по окончаниям 3, проходя сквозь отверстия 4, перемещается одновременно в горизонтальном направлении в соседние ячейки, что увеличивает перемешивание за счет равномерного распределения смеси в горизонтальной плоскости пакета насадки.
За счет разности плотностей фаз и поверхностного натяжения стекающая пленка отрывается от упомянутых кромок в направлении вниз в виде вновь образующихся капель дисперсной фазы, переходящих во взвешенное состояние, но уже ниже уровня первоначального контакта. Более крупные капли транспортируются в нижележащие ячейки, а менее крупные капли могут рециркулировать в пределах высоты одной ячейки, продолжая перемешиваться и укрупняться за счет коалесценции до момента контакта со стенками ячейки. В результате наступает стационарный режим динамического равновесия, при котором массовые потоки дисперсной фазы на верхнем и нижнем торцах пакета насадки сравниваются.
Выполнение стенок многих ячеек 9 одновременно из одного листа 1, а также соединение соседних листов жестким закреплением в зоне контакта упрощает и удешевляет конструкцию и увеличивает ее надежность и срок эксплуатации, без ухудшения технологических показателей. Отгибание окончаний 3 в противоположные стороны от стенки листа 1 увеличивает перемешивание смеси веществ между ячейками 9 в горизонтальной плоскости, что выравнивает показатели тепломассообменного процесса в горизонтальном сечении пакета насадки и повышает производительность. Изгибание окончаний 3, например, по цилиндрической поверхности, увеличивает протяженность канала завихрителя 10, что повышает производительность за счет увеличения перемешивания и сепарации компонентов смеси. Исключение всех перемычек кроме горизонтальных перемычек 7 - оснований каждой пары окончаний 3 упрощает и удешевляет конструкцию, но снижает ее жесткость, которая, впрочем, может оказаться достаточной.
3
4
Соединение соседних листов с возможностью вертикального перемещения вдоль гребней относительно друг друга и снабжение насадки механизмом их перемещения, позволяет плавно регулировать сечение каналов завихрителей 10 вплоть до нуля одновременно во всем объеме насадки. Это предопределяет изменение режима течения и структуры потоков смеси веществ в ячейках 9, а также их гидравлическое сопротивление, что изменяет интенсивность тепломассообмена в смеси и обеспечивает достижение максимальной производительности без остановки технологического процесса за счет оптимизации его показателей. При Δh~H сечение каналов завихрителей 10 полностью перекрывается и перемешивание смеси происходит только через отверстия 4, с одновременным увеличением гидравлического сопротивления насадки до максимальной величины. При Δh~Н-(h+h) сечение каналов завихрителей 10 достигает максимальной величины, с одновременным уменьшением гидравлического сопротивления насадки до минимальной величины.
Выполнение листов 1 из инертного к веществам смеси материала, например, нержавеющей стали, увеличивает срок эксплуатации насадки. Закрепление на листах 1 слоя покрытия, выполненного из смачиваемого диспергированным в смеси жидким веществом материала, например, фторполимера или фторлонового покрытия для диспергированного органического вещества, повышает производительность за счет увеличения сепарации. Нанесение на поверхность листов 1 шероховатости, например, с использованием пескоструйной обработки для увеличения площади ее контакта с компонентами смеси веществ и закрепление на них слоя гетерогенного катализатора, например, в виде напыления или гальванического покрытия металлом, повышает производительность за счет увеличения скорости массообмена в процессах, сопровождающихся химической реакцией между компонентами смеси.
Таким образом, заявлено техническое решение, совокупность признаков которого неизвестна из настоящего уровня техники, обладает новизной по сравнению с выбранным прототипом, технически выполнимо и промышленно применимо, что соответствует критериям, характеризующим полезную модель.
Изготовлен опытный образец предложенной насадки и проведены его испытания, которые подтвердили не только ее промышленную применимость, но и достижение нового технического результата, который заключается в упрощении и удешевлении конструкции и повышении ее надежности и срока эксплуатации, а также в увеличении производительности.