РЕГУЛЯРНАЯ НАСАДКА
REGULAR PACKING

Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, предназначенных для проведения тепломассообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость, и может найти применение в процессах ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа для разделения фаз, а также в химической, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности.
Известна регулярная насадка, представляющая собой пакет вертикально установленных перфорированных гофрированных листов, гофрирование которых выполнено под определенным углом к вертикали и на соседних листах направлено в противоположные стороны (А.И.Скобло, «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии», М.: Недра, 2000 г., с.263-264, рис.VII-26: Регулярные насадки: а - Меллапак фирмы «Sulzer»).
Общим в конструкции данной насадки и настоящего изобретения является наличие гофрированных листов с отверстиями, при этом ребра соседних листов наклонены в противоположные стороны относительно друг друга.
Недостатком существующей насадки является невысокая эффективность из-за отсутствия на пути движения потоков в каналах насадки направляющих или сепарационных элементов, которые могли бы способствовать лучшему перераспределению потоков газа (пара) и жидкости в слое насадки, а также заметный унос жидкой фазы вместе с газовой.
Наиболее близкой к предлагаемой и выбранной за прототип является регулярная насадка по патенту РФ №2188706 от 15.01.2001 г. Насадка состоит из вертикально установленных гофрированных листов, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом, при этом гофры соседних листов направлены относительно друг друга в противоположные стороны. Каждый гофр листа выполнен с обратно вогнутыми элементами, которые расположены в местах пересечения параллельных линий с ребрами гофр. На гофрах вдоль параллельных линий, в местах их пересечения с ребрами гофр, выполнены поперечные надрезы, а у каждого из надрезов размещены обратно вогнутые элементы в виде треугольников с основаниями, равными длине надреза, с вершинами, расположенными на ребрах гофр, и перегнутые таким образом, что линии перегиба расположены на обратно вогнутых ребрах гофр, причем надрезы с обратно вогнутыми элементами выполнены и на гофрах с обратной стороны листа. Параллельные линии, пересекающие ребра гофр в местах выполнения обратно вогнутых элементов, расположены под углом 60-90° к ребрам гофр. Между гофрированными листами установлены перфорированные листы или сетки.
Общими признаками известной и предлагаемой конструкции являются следующие:
- насадка состоит из гофрированных листов с отверстиями;
- гофры соседних листов направлены в противоположные стороны относительно друг друга.
Недостатками известной насадки является сложность изготовления и низкая эффективность работы на средах, характеризующихся повышенной загрязненностью и склонных к образованию осадка, что связано с наличием обратновогнутых элементов, листового перфорированного и сетчатого материала между гофрированными листами, которые способствуют отложению загрязнений на поверхности таких элементов, их забиванию и снижению эффективности работы насадки.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности работы насадки при одновременном упрощении ее конструкции за счет улучшения перераспределения потоков газа и жидкости по сечению насадки, повышения турбулизации потоков внутри слоя насадки, снижения уноса жидкой фазы вместе с газовой, достигаемых благодаря конструктивному исполнению с образованием по сечению насадки каналов одновременно зигзагообразной формы и каналов типа «диффузор-конфузор», соединенных между собой.
Поставленная задача достигается тем, что в регулярной насадке для тепломассообменных аппаратов, состоящей из гофрированных листов с отверстиями, при этом гофры соседних листов направлены относительно друг друга в противоположные стороны, новым является то, что на каждом листе отверстия выполнены в каждой выступающей в одну сторону части гофр, и расстояние между отверстиями равно шагу гофр, при этом выступающие в другую сторону части гофр установлены в такие же отверстия соседнего листа с образованием зазоров между кромкой отверстий и этой частью гофр.
Кроме того, центры отверстий, выполненных в каждой выступающей в одну сторону части гофр, расположены по линиям вершин этих гофр.
Кроме того, отверстия в выступающей части гофр выполнены на глубину от 0,05 до 0,95 высоты гофра от линии ее вершины.
Кроме того, отверстия выполнены овальной, круглой, эллиптической, квадратной, прямоугольной, ромбовидной формы.
Кроме того, гофрированный лист выполнен из сплошного листового материала.
Кроме того, гофрированный лист выполнен из перфорированного или профилированного, или просечно-профилированного, или просечно-вытяжного листового материала или из сетки.
Кроме того, части гофр одного листа установлены в отверстиях другого листа так, что центры отверстий этого листа смещены относительно выступающей части гофр с отверстиями другого листа.
Кроме того, части гофр одного листа установлены в отверстиях другого листа так, что центры отверстий этого листа расположены по линиям вершин выступающей части гофр с отверстиями другого листа.
Заявляемая совокупность признаков позволяет создать между соседними листами одновременно каналы зигзагообразной формы и каналы типа «диффузор-конфузор», чередующиеся и равномерно распределенные по сечению насадки. Присутствие каналов двух видов придает регулярной насадке повышенную массообменную эффективность за счет наличия одновременно двух эффектов: турбулизации потоков в каналах типа «диффузор-конфузор» за счет резкого изменения скорости газового потока и турбулизации потока в зигзагообразных каналах за счет присутствия через постоянный шаг препятствий в виде выступов, образованных вершинами гофр, расположенных поперек потока. Кроме того, наличие зазоров между кромкой отверстий одного листа и частью гофр соседнего листа, установленных в эти отверстия, обеспечивает сообщение каналов зигзагообразной формы и каналов типа «диффузор-конфузор», создавая единую систему взаимосвязанных каналов в объеме насадки, благодаря чему достигается интенсивное перемешивание сред газа и жидкости, повышается длительность их контактирования в связи с многократным изменением направления движения потоков в зигзагообразных каналах. При этом эффективность насадки практически не зависит от положения гофрированного листа относительно горизонтали, т.е. гофрированные листы могут быть установлены как вертикально, так и под наклоном, а также горизонтально. При этом в зависимости от положения гофрированных листов могут инициироваться организуемые режимы движения газового потока: турбулизация потоков в каналах типа «диффузор-конфузор» и в зигзагообразных каналах или турбулизация потока при прохождении через зазоры, образованные между кромкой отверстий одного листа и выступающей частью гофр соседнего с ним листа. Плавное изменение направления движения потока в каналах способствует эффективной работе насадки на загрязненных средах, склонных к образованию осадка, и исключает осаждение на них твердых частиц и забивание насадки.
Также за счет наличия каналов зигзагообразной формы значительно снижается унос жидкой фазы вместе с газовой фазой, так как происходит сепарация капельной жидкости на выступах, образованных вершинами гофр, расположенных поперек потока.
При расположении центров отверстий, выполненных в каждой выступающей в одну сторону части гофр, по линиям вершин этих гофр достигается максимальная степень турбулизации газового потока и равномерность его движения по сечению канала насадки. При этом упрощается конструкция насадки и снижаются затраты на ее изготовление.
Изменяя глубину отверстий на выступающей части гофр от 0,05 до 0,95 высоты гофры от вершины, изменяются степень турбулизации потоков пара (газа) и жидкости и степень сепарации жидкости из газовой фазы в каналах насадки, а следовательно, изменяется и эффективность насадки. Глубина отверстий на выступающей части гофр также влияет на гидравлическое сопротивление насадки. Значение глубины отверстий выбирается в зависимости от требуемых нагрузок по газу и жидкости, гидравлического сопротивления и других условий, определяемых удельной поверхностью насадки, а также от загрязненности среды.
Форма отверстий влияет на форму и размеры зазоров между частью гофр одного листа и кромкой отверстий соседнего листа, в которые установлены эти части гофр. От этого зависит характер и степень перетока и перераспределения потоков пара (газа) и жидкости между каналами. Кроме того, при различной форме отверстий гофрированный лист также может быть выполнен различного профиля (треугольный, волнообразный, трапециевидный и т.п.) и при этом могут быть созданы зазоры различной формы и размеров для осуществления перетока и перераспределения потоков пара (газа) по всему объему насадки, что упрощает конструкцию данной насадки и не требует специальных технологий по изготовлению данной насадки.
Выполнение гофрированных листов из сплошного или перфорированного, или профилированного, или просечно-профилированного, или просечно-вытяжного листового материала, или из сетки также не требует специальных технологий по изготовлению данной насадки и позволяет использовать заявляемую конструкцию насадки в процессах массообмена в широком диапазоне изменения эффективности и гидравлического сопротивления.
Установка части гофр одного листа в отверстиях другого листа так, что центры отверстий этого листа смещены относительно выступающей части гофр с отверстиями другого листа, в частности при расположении центров отверстий этого листа по линиям вершин этой выступающей части гофр другого листа, позволяет реализовывать заявляемую конструкцию насадки с созданием оптимальных условий для плавного изменения направления движения газового потока в зигзагообразных каналах насадки, а следовательно, и для лучшей сепарации капельной жидкости на выступающих частях гофр, установленных в отверстия соседних гофр.
Установка части гофр одного листа в отверстиях другого листа так, что центры отверстий этого листа расположены по линиям вершин выступающей части гофр с отверстиями другого листа позволяет реализовывать заявляемую конструкцию насадки и обеспечить эффективную работу насадки на малых расходах газа (пара).
Заявителю не известны конструкции регулярных насадок, в которых повышение эффективности тепло- и массообмена, снижение уноса жидкой фазы вместе с газовой достигалось бы за счет наличия в них одновременно каналов зигзагообразной формы и каналов типа «диффузор-конфузор», связанных между собой через зазоры, образованные путем особого расположения гофрированных листов относительно друг друга, способствующих повышению интенсификации массообмена за счет турбулизации потоков внутри слоя насадки при одновременном упрощении конструкции.
На фиг.1 представлен фрагмент регулярной насадки.
На фиг.2 представлена горизонтальная установка и элемент насадки - гофрированный лист с отверстиями, выполненными в каждой выступающей в одну сторону части гофр.
На фиг.3 схематично показано движение потока газовой (жидкой) фазы в каналах насадки (показан канал типа «диффузор-конфузорм»). Стрелками показано распределение потока по каналам насадки: стрелками С - направление движения основного потока, а стрелками В - движение части потока к создаваемым зазорам.
На фиг.4 показан фрагмент пакета насадки при горизонтальной установке гофрированных листов (вид А на фиг.1), демонстрирующий зигзагообразное движение потока в зигзагообразных каналах насадки.
На фиг.5 показан фрагмент пакета насадки при вертикальной установке гофрированных листов.
1
На фиг.6 представлен разрез по А-А на фиг.4, демонстрирующий наличие многократно повторяющихся и равномерно распределенных каналов типа «диффузор-конфузор» в объеме насадки. Размерными линиями показано изменение высоты каналов типа «диффузор-конфузор» от Н до h no ходу движения потока через сужающиеся и расширяющиеся участки.
Регулярная насадка выполнена из пакета гофрированных листов 1 и 2, гофры которых направлены в противоположные стороны относительно друг друга, на фиг.1 они взаимно перпендикулярны, однако угол между соседними гофрами может составлять от 60 до 120 градусов. Гофрированные листы 1 и 2 могут быть установлены вертикально, наклонно или горизонтально в массообменном аппарате (на фиг.1, 2, 4 показано горизонтальное положение, на фиг.5 - вертикальное). В случае установки гофрированных листов в горизонтальном положении отверстия 5, 6 могут быть в части гофр 3, 4, направленных вниз или вверх (на фиг.1 направлены вверх). В каждой выступающей в одну сторону части гофр 3, 4 каждого листа 1, 2 (соответственно) выполнены отверстия 5, 6 (соответственно). Расстояние а между центрами отверстий 5, 6 равно шагу гофр б (фиг.2), а центры отверстий 5, 6 могут быть расположены по линиям вершин этих гофр. Отверстия 5, 6 выполнены в выступающей части гофр на глубину h от 0,05 до 0,95 высоты гофра Н от линии ее вершины в обе стороны (фиг.4, 5). Отверстия могут быть выполнены различной формы: овальной, круглой, эллиптической, квадратной, прямоугольной, ромбовидной (ромбовидная форма показана на фиг.2). Изменяя форму отверстий, их размер, а также ширину полки гофр, возможно получить насадки с различными значениями удельной поверхности, а значит, эффективности и гидравлического сопротивления.
Части каждого листа, выступающие в другую сторону 7, 8, установлены в отверстиях соседнего листа, т.е. как показано на фиг.1, части гофра 8 листа 2 установлены в отверстиях 5 листа 1, с условием образования зазора 9 между поверхностью части гофр 8 и кромкой отверстия 5 (фиг.1, 3, 4). Зазор 9 создают за счет разной формы, размера отверстий 5, 6 и различной конфигурации профиля гофрированного листа 1, 2: треугольного, трапециевидного, волнообразного.
Взаиморасположение листов 1, 2 может быть в двух вариантах:
- части гофр 8 листа 2 установлены в отверстиях 5 листа 1 так, что центры отверстий 6 листа 2 смещены относительно выступающей части гофр с отверстиями 5 листа 1 (показано на фиг.1);
- части гофр 8 листа 1 установлены в отверстиях 5 листа 1 так, что центры отверстий 6 листа 2 расположены по линиям вершин выступающей части гофр с отверстиями 5 листа 1 (на фиг. не показано).
Гофрированные листы 1, 2 укладываются в пакеты аналогично представленным на фиг.1, т.е. над листом 2 устанавливается лист 1, при этом части гофр 7 установлены с зазором 9 в отверстия 6 листа 2 и т.д.
При этом между соседними листами образуются зигзагообразные каналы 10 (фиг.4, 5) и каналы типа «диффузор-конфузор» 11 (фиг.3, 6) с сужающимися и расширяющимися участками.
Гофрированные листы 1, 2 могут быть выполнены из сплошного листового материала. Кроме того, гофрированные листы могут быть выполнены из перфорированного или профилированного, или просечно-профилированного, или просечно-вытяжного листового материала, или из сетки. При этом свободное сечение листового материала принимается в зависимости от технологических требований к условиям эксплуатации насадки.
Материал насадки выбирается исходя из условий эксплуатации.
Насадка работает следующим образом.
При вертикальном или наклонном положении гофрированных листов 1, 2 поток газа проходит снизу вверх по каналам насадки, проделывая зигзагообразный путь в каналах 10 и встречая сопротивление через постоянный шаг в каналах 11 типа «диффузор-конфузор» из-за наличия препятствия в виде посаженных в отверстия 5 участков гофр 8 соседнего листа, следствием чего является сужение канала 11 через постоянный шаг. В результате этого увеличивается путь движения газового потока в насадке, возрастает степень турбулизации газового потока, что приводит к интенсификации процесса тепломассообмена между жидкой и газовой фазами на поверхности насадки. Одновременно за счет прохождения потока по каналам зигзагообразной формы 10 значительно снижается унос жидкой фазы вместе с газовой фазой, так как при зигзагообразном движении потока происходит сепарация капельной жидкости из газовой фазы на выступах, образованных вершинами гофр 8, расположенных поперек потока.
В каналах 10 и 11 жидкость стекает вниз, встречая на своем пути препятствия в виде вершин гофр 8, за счет чего увеличивается путь движения жидкости в канале, увеличивается степень турбулизации жидкостного потока, что приводит к интенсификации процесса тепломассобмена между жидкой и газовой фазами в каналах и на поверхности насадки. При этом часть потоков жидкости и газа через зазоры 9 перераспределяется между каналами 10 и 11 насадки.
При горизонтальной установке гофрированных листов 1, 2 насадка работает следующим образом.
Газовый поток проходит снизу вверх через зазоры 9 и отверстия в виде перфорации (в случае выполнения гофрированного листа из перфорированного или профилированного, или просечно-профилированного, или просечно-вытяжного листового материала, или из сетки), встречая на своем пути помимо этого сопротивление в виде слоя (уровня) жидкой фазы, равномерно распределенной по длине гофров. При этом газовый поток равномерно перераспределяется по сечению насадки, за счет зигзагообразных каналов 10 и каналов 11 типа «диффузор-конфузор». Жидкая фаза стекает сверху вниз через зазоры 9 и отверстия в виде перфорации, создавая при этом слой жидкой фазы по длине гофров. В результате происходит многократный барботаж газа через слой жидкости по ходу его движения через слой насадки, за счет чего достигается большое количество теоретических ступеней разделения на единицу высоты массообменного устройства и, следовательно, достигается высокая эффективность тепломассообмена.