РЕГУЛЯРНАЯ НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
REGULAR NOZZLE FOR HEAT- AND MASS- EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, которые применяются в процессах ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также в качестве смесителей жидких и газовых потоков, в качестве оросителей градирен систем оборотного водоснабжения, и может найти применение практически во всех технологических процессах нефтяной, газовой, химической и других смежных отраслей промышленности.
Из уровня техники известна регулярная структурированная насадка фирмы «Зульцер» (US 4643853, опубликовано 17.02.87), которая выполнена из вертикально установленных гофрированных листов, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом. На каждом из листов гофры расположены по диагонали и выполнены с отверстиями или насечками вдоль или поперек их.
Известна также регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов по патенту (RU 2188706, опубликовано 10.09.02), состоящая из собранных в пакеты гофрированных листов, установленных вертикально и параллельно с наклоном гофр соседних листов под углом к горизонту в противоположные стороны, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом и образующих между собой свободные каналы сложной геометрической формы.
К недостаткам таких насадок относится то, что они обеспечивают удовлетворительное распределение газовых и жидкостных потоков лишь в пределах замкнутых плоских каналов, образованных параллельными стенками соседних гофрированных пластин. При этом поперечное перемешивание в объеме всей насадки в целом не обеспечивается, что заметно снижает эффективность процессов тепло- и массообмена.
Наиболее близко к предлагаемому изобретению относится роторно-пленочный тепломассообменный аппарат по патенту (RU №2158393, опубликовано 16.02.2001), принятый нами за прототип, содержащий закрепленные на горизонтальном валу плоские параллельно расположенные диски, которые приводятся во вращение при помощи привода.
К недостаткам данной конструкции относится невысокая турбулизация газовой фазы, что снижает эффективность тепло- и массообмена, а также придание дискам вращения при помощи введения в аппарат внешних сил со стороны специального дополнительного привода, что увеличивает энергозатраты и усложняет конструкцию.
Задача изобретения заключается в повышении эффективности процессов тепло- и массообмена за счет придания насадке дополнительных турбулизирующих элементов и обеспечения эффективного расположения насадки в аппарате, а также упрощение конструкции аппарата и снижение энергозатрат, путем придания насадке вращательного движения внутренними силами.
Сущность предложенного изобретения заключается в том, что в регулярной насадке для тепло- и массообменных колонных аппаратов, содержащей на горизонтальном валу плоские параллельно расположенные диски, согласно изобретению, диски свободно установлены на валу и насадка снабжена закрепленными между дисками двумя лопастями, выполненными в виде поверхности горизонтальных полуцилиндров, обращенных своей выпуклой частью в противоположные стороны и образующими элемент насадки, при этом наружная продольная кромка каждого полуцилиндра сопряжена с диском по его окружности, а внутренняя продольная кромка каждого полуцилиндра расположена с эксцентриситетом по отношению к центру диска, равным 0,1÷0,15 радиуса диска, при этом кромки лопастей расположены на одной оси симметрии дисков.
Согласно изобретению насадка может быть выполнена таким образом, что элементы насадки объединены в секции, при этом соседние элементы смещены друг относительно друга.
Элементы насадки могут быть закреплены на оси с возможностью автономного вращения друг относительно друга.
Кроме того, элементы насадки расположены ярусами и соседние по высоте ярусы установлены с поворотом друг относительно друга.
Поверхность лопастей может быть выполнена в гладкой, перфорированной, «теркообразной» форме или в виде сеток.
Технический результат предложенного изобретения заключается в том, что повышается эффективность процессов тепло- и массообмена за счет придания насадке дополнительных турбулизирующих элементов и обеспечения эффективного расположения насадки в аппарате, упрощается конструкция аппарата, и снижаются энергозатраты, путем придания насадке вращательного движения внутренними силами.
Данное устройство поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - общий вид насадки;
фиг.2 - разрез по A-A на фиг.1;
фиг.3 - принцип работы насадки;
фиг.4 - элементы насадки, объединенные в секции;
фиг.5 - элементы насадки с возможностью автономного вращения на валу;
фиг.6 - расположение секций насадок в аппарате ярусами;
фиг.7 - вид Б-Б по фиг.6;
фиг.8 - расположение элементов насадки в аппарате ярусами;
фиг.9 - вид B-B на фиг.8;
фиг.10 - элемент насадки на валу с гладкими лопастями;
фиг.11 - элемент насадки с перфорированными лопастями;
фиг.12 - элемент насадки с «теркообразными» лопастями;
фиг.13 - элемент насадки с лопастями в виде сеток.
Регулярная насадка для тепло- и массообменных колонных аппаратов содержит плоские параллельно расположенные диски 1, свободно установленные на горизонтальном валу 2, причем соседние диски 1 снабжены закрепленными между ними двумя лопастями 3, выполненными в виде поверхности горизонтальных полуцилиндров, обращенных своей выпуклой частью в противоположные стороны и образующих элемент насадки. Наружная продольная кромка 4 каждой лопасти 3 сопряжена с диском по его окружности, при этом внутренние продольные кромки 5 каждой лопасти 3 расположены с эксцентриситетом по отношению к центру дисков 1:S=R(0,1÷0,15)
где S - эксцентриситет;
R - радиус диска 1,
при этом кромки лопастей 3 расположены на одной оси симметрии дисков 1.
С лопастями 3 взаимодействуют газовый G и жидкостный L потоки. Элемент насадки имеет вращательное движение W относительно вала 2 (фиг.3).
Элементы насадки, жестко соединенные между собой, образуют секцию 6, при этом пары лопастей 3 по разные стороны дисков 1 смещены относительно друг друга на угол α(фиг.4).
1
2
3
Несколько элементов насадки установлены на валу 2 с возможностью автономного вращения элементов в направлениях W, W, W (фиг.5).
Два или более рядов элементов в одной горизонтальной плоскости образуют ярус элементов. Ярусы элементов в аппарате 7 располагаются друг к другу под углом β.
Насадка работает следующим образом.
Поскольку диски 1 с лопастями 3 закреплены на валу 2 со свободной посадкой, они могут вращаться относительно этого вала под действием газового G и жидкостного L потоков. Взаимодействующие потоки G и L попадают на лопастные элементы 3 и этим придают насадочному элементу вращательное движение W.
На эффективность насадки влияют следующие факторы. Эксцентриситет S=R(0,1÷0,15)
где S - эксцентриситет;
R - радиус диска.
При 0,1>S>0,15 процесс тепло- и массообмена будет уменьшаться.
Объединение элементов насадки в секции 6 позволяет снизить металлоемкость регулярной насадки за счет снижения общего числа дисков 1 между лопастями 3 соседних элементов насадки.
Угол (между парами лопастей 3, по разные стороны дисков 1) α=90° или
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mn>180</mn></mrow><mi>o</mi></msup></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
,
где n - количество пар лопастей.
Угол α позволяет нейтрализовать дисбаланс при вращении секции 6. При несоблюдении углов α может возникнуть дисбаланс в секции 6, что при вращении может привести к нежелательным вибрациям.
Автономное вращение элемента насадки позволяет компоновать соседние элементы в ряд таким образом, что они будут вращаться на валу 2 в противоположные стороны относительно друг друга, что способствует интенсификации тепло- и массообмена.
Ярусное расположение насадки позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массообмена по всему объему аппарата. Величина угла β между ярусами лежит в пределах от 0,01° до 90° и позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массообмена и минимизировать гидравлические потери.
При β, стремящемся к 0,01°, гидравлические потери минимальны.
При β, стремящемся к 90°, гидравлические потери будут неоправданно возрастать.
Лопасти 3 могут быть выполнены с гладкой поверхностью или профилированной. Использование перфорированных, «теркообразных» или в виде сеток лопастей 6 интенсифицирует процесс тепломассообмена, за счет увеличения поверхности контакта взаимодействующих фаз.
Использование предложенной конструкции в процессах ректификации, абсорбции и многих других процессах позволит:
- повысить интенсивность тепло- и массообмена, путем установки насадок в аппарате ярусами и снабжения насадки лопастями, увеличивающими поверхность контакта фаз;
- упростить конструкцию и снизить энергозатраты, путем придания элементам насадки вращательного движения от газового и жидкостного потоков.