Насадка для массообменного аппарата

Полезная модель относится к насадке для массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармакологической, машиностроительной, металлургической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов, вентиляционных выбросов и сточных вод от вредных примесей.
Известны конструкции колонных аппаратов с односторонней вибрацией насадки, состоящие из корпуса, внутри которых помещены диски с отверстиями. Диски крепятся к штанге, получающей вертикальные направленные колебания от вибровозбудителя, обычно механического типа (Варсанофьев В.Д. Вибрационная техника в химической промышленности / В.Д. Варсанофьев, Э.Э. Кольман-Иванов. - М.: Химия, 1985. - 240 с., стр. 214).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность создания высокой амплитуды колебаний от вибровозбудителя, так как это приводит к высоким  силам инерции, связанным с большой массой штанги и дисков с отверстиями, а невысокая допускаемая амплитуда вибрации не позволяет значительно увеличить скорости тепло- и массообменных процессов на границе раздела фаз, что снижает производительность колонных аппаратов.
Известна насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, фиксирующие элементы в виде параллельных стержней, установленных в проволоке или полимерных мононитях и закрепленных на концах пластинами, при этом пластины выполнены в виде перфорированных дисков, а стержни - в виде болтов, равномерно установленных по окружности дисков, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет
d/D=0.94÷0.98,
где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата (Патент на полезную модель РФ №109015, B01J 19/32, 2011 г.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится необходимость остановки работы насадочного аппарата для регулирования удельной поверхности насадки и свободного объема путем изменения высоты насадки, а также неподвижности элементов насадки (проволоки или полимерных нитей), что снижает скорость тепло- и массопереноса, снижая тем самым производительность по жидкости и газу.
Известна насадка для массообменных аппаратов из проволочных спиралей и стеклянного волокна, обладающая высокой удельной поверхностью и свободным объемом (В.М.Рамм. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976, С.315-316).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся неравномерность распределения материала и гидравлического сопротивления по ее объему, что приводит к разному времени пребывания очищаемой среды в насадке и необходимости снижения расходов жидкости и газа, что, в свою очередь, снижает производительность.
Известна насадка в контактном аппарате для озонирования вредных систем, выполненная из объемного нетканого волокнистого модуля с поровым пространством 0,7-0,99, представляющего собой беспорядочно уложенные в объеме и точечно-скрепленные в местах соприкосновений прочные нити с диаметром 0,2-2 мм из полимерного материала, инертного к воздействию водной системы и озона (Свидетельство на полезную модель 33759, РФ C02F 1/78, 2003 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся неравномерность структуры пор и поверхности объемного нетканого волокнистого модуля, что приводит к разному гидравлическому сопротивлению, времени пребывания и массопереносу улавливаемых молекул, а значит к необходимости снижения расходов жидкости и газа, что, в целом, снижает производительность.
Известна насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку и перфорированные диски, в которой отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет
где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, м, причем под нижним диском установлен пульсатор колебаний газа, а на верхнем диске осесимметрично закреплен дополнительный груз с массой, определяемой выражением
где m - масса дополнительного груза, кг;
α - упругость насадки из проволоки, Н/м;
f - частота пульсатора колебаний газа, Гц;
M -масса верхнего диска, кг (пм. №186315, МПК B01J 19/32, B01D 45/00, 2019).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неподвижность элементов насадки при противоточном движении вокруг их поверхности раздела жидкости и газа, что снижает скорость массопереноса и производительность.
Наиболее близким техническим решением по назначению и совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип, является  насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, стержень и перфорированные диски, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет d/D=0,94÷0,98, стержень установлен осесимметрично с аппаратом и имеет возможность осевого перемещения, причем нижний торец стержня жестко соединен с верхним перфорированным диском, а верхний торец - с механизмом осевого перемещения (пм. №117310, МПК B01 D45/00, 2012).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная подвижность насадки, что  приводит к образованию застойных зон, неподвижности пограничных слоев между стекающей по насадке и движущейся навстречу газу жидкости, снижению скорости тепло- и массопереноса и производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для массообменного аппарата, содержащей проволоку, верхний  и нижний перфорированные диски, диаметр которых подчиняется соотношению
(1)
где d и D – соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, м; механизм осевого перемещения насадки и стержень, жестко соединенный с верхним диском и установленный осесимметрично с аппаратом, причем  в качестве механизма осевого перемещения насадки установлен пульсатор, закрепленный с внешней стороны аппарата над верхним диском, а масса стержня определяется выражением
,                                           (2)
где m и M – соответственно масса стержня и верхнего диска, кг;
α – упругость насадки, Н/м;
– число Пифагора;
– частота колебаний пульсатора, Гц.
Установка пульсатора, выступающего в качестве механизма осевого перемещения насадки с внешней стороны аппарата над верхним диском, позволяет создавать колебания в насадке с частотой, равной частоте колебаний пульсатора, что интенсифицирует  процессы тепло- и массопередачи в пограничных слоях жидкости и газа и способствует росту производительности.
Установка пульсатора над верхним диском, где в основном находится упругая газовая среда, способствует передаче упругих колебаний, идущих от пульсатора в объем насадки, так как газ значительно в большей степени способен менять свой объем, чем жидкая фаза. Это увеличивает зону колебаний по всему  объему насадки, состоящей из проволоки, снижает объем застойных зон в насадке, что в целом способствует росту производительности.
Выполнение стержня, установленного осесимметрично с аппаратом и жестко соединенного с верхним диском, с массой, подчиняющейся выражению (2), позволяет перевести колебания этого диска вместе с насадкой в резонансный режим с большой амплитудой, что значительно интенсифицирует тепло- и массообменные процессы, происходящие в насадке на поверхности проволоки, из-за их колебаний вместе с верхним диском, что еще в большей степени способствует росту производительности (Б.Г. Новицкий, Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах / Б. Г. Новицкий. - М. : Химия, 1983. - 191 с., стр. 136).
Верхний диск с массой M и осесимметрично установленный с ним стержень с массой m, то есть с общей массой M+m, уложенный на упругую проволоку, образуют физический маятник, собственная частота колебаний которого подчиняется формуле
,                                       (3)
(Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. 1-е изд. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1980 г. — 944 с., стр.590).
Для обеспечения резонанса необходимо, чтобы собственная частота физического маятника равнялась частоте вынужденных колебаний пульсатора
.                                                     (4)
Решая совместно уравнения (3) и (4) относительно массы стержня m, получаем выражение (2).
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата в разрезе.
Насадка состоит из  цилиндрического корпуса 1 с крышкой 2, снабженной патрубками подачи жидкости 3 и отвода газа 4, днища 5 с патрубками для подачи газа 6 и отвода жидкости 7. В корпусе 1 в верхней части установлен патрубок 8, к которому присоединен пульсатор 9. Внутри корпуса 1 на  опорах закреплен неподвижный перфорированный нижний диск 10, на который уложен слой насадки 11, выполненной из проволок. Сверху на слой насадки 11 уложен перфорированный верхний диск 12. Диаметр d верхнего 12  и нижнего 10 дисков меньше внутреннего диаметра D корпуса 1 в соответствии с соотношением (1). Осесимметрично с корпусом 1 на верхнем перфорированном диске 12 жестко закреплен стержень 13, масса которого m  с массой верхнего перфорированного диска 12 подчиняется выражению (2). При  этом патрубок 8 с пульсатором 9 закреплен над верхним диском 12.
Насадка для массообменного аппарата работает следующим образом.
По патрубку 3 внутрь аппарата 1 подают жидкость. Одновременно по патрубку 6 подают газ и включают пульсатор 9, создающий колебания в слое насадки 11 с частотой . Так как эта частота совпадает с собственной частотой  колебаний  физического маятника, каким являются слой насадки 11, состоящей из проволоки разного диаметра, с верхним перфорированным диском 12 и стержнем 13, совершает вынужденные колебания с частотой  колебаний пульсатора 9, но с резонансной,  а значит большой амплитудой колебаний поверхностей проволоки насадки 11. Эти колебания вызывают интенсивные по амплитуде колебания поверхностей раздела фаз газа и жидкости, через пограничные слои которых идут процессы тепло- и массопередачи большей интенсивности, турбулизирующей оба потока, резко снижающей застойные зоны в целом приводящие к росту производительности тепло- и массообменных процессов в жидкой и газовой фазах.
Пример. В корпус аппарата 1 на нижний перфорированный диск 10 уложен  слой насадки 11 - проволоки, обладающей упругими свойствами, то есть деформируемой под нагрузкой и восстанавливающей свой объем после снятия этой нагрузки.
На слой насадки 11 высотой H=0,5 м уложили диск 12 массой           М=3 кг, то есть весом Р=3 кг или Р=Н, ∆=0,005 м, то есть 5 мм. Тогда упругость насадки составляет
.
При частоте колебаний пульсатора 9   Гц, масса стержня 13 должна составлять согласно выражению (2)
кг.
Выполняем стержень 13 из стали , тогда объем стержня 13 должен равняться
3
см.
c
Выбираем стержень 13 диаметром d=5 см. Тогда высота стержня 13 должна быть
см,
то есть стержень 13 из стали плотностью , диаметром 5 см и высотой 6,1 см будет иметь массу m=950 г, который вместе с массой верхнего перфорированного диска 12 массой M=3 кг будет обеспечивать резонансный режим колебаний насадки 11 с диском 12 и стержнем 13 с собственной частотой колебаний, совпадающей с вынужденной частотой пульсатора 9 Гц при  упругости проволоки разной толщины насадки 11, равной
Таким образом, установка пульсатора с внешней стороны аппарата над верхним диском и  массы стержня, подчиняющейся условию (2), позволяет создавать резонансный режим колебаний  верхнего диска со стержнем и насадкой с частотой,  равной частоте колебаний пульсатора и высокой резонансной амплитудой,  вызывающей колебания поверхностей проволоки, что уменьшает толщину пограничных слоев в жидкой и газовой фазах, на которых происходит тепло- и массообмен, интенсифицирует застойные зоны, что, в целом, способствует росту производительности.