Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам, применяемым в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов абсорбции, экстракции, 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 и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, и внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
где h и H - соответственно высоты внутреннего и наружного кольца, причем внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным с положительной плавучестью в рабочей жидкости соединено с наружным кольцом на нижнем кольце (Описание полезной модели к патенту РФ №162267, В01J 19/30, 2016 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность тепло- и массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким динамическим диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора) и необходимость пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным, отличающееся тем, что внутреннее тело вращения выполнено из материала, обладающего эффектом памяти, и соединено с наружным кольцом на верхнем торце, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца лежит в пределах:
где h и H – соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м (Описание полезной модели к патенту РФ №174152, ВО1J 19/30, 2017 г.).
Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов относится недостаточная интенсивность тепло- и массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким резонансным диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора), а также необходимость упорядоченной пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.
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 к внутреннему диаметру наружного 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 причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая эффективность массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким резонансным диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора) и необходимость пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.
Техническим результатом предлагаемой конструкции динамической насадки для тепло- и массообменных процессов является увеличение производительности массообменных аппаратов.
Технический результат достигается тем, что динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, выполненных в виде колец Рашига, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом отношение наружного диаметра внутреннего кольца к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, причем наружное и внутреннее кольца выполнены из полимерного материала и соединены между собой посредством выполненной также из полимерного материала конической пружины переменной жесткости, при этом внутреннее кольцо верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины, а верхний виток пружины переменной жесткости соединен с наружным кольцом на его верхнем торце.
Соединение наружного и внутреннего колец Рашига посредством конической пружины переменной жесткости таким образом, что внутреннее кольцо верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины, а верхний виток пружины переменной жесткости соединен с наружным кольцом на его верхнем торце, позволит обеспечить резонансные колебания внутреннего тела вращения в виде кольца Рашига в широком диапазоне скоростей газовой (паровой) и жидкой фаз, что приведет к существенной интенсификации тепломассообменных процессов и повышению производительности массообменных аппаратов, кроме того, такая конструктивная компоновка насадочного элемента делает тепло- и массообменную насадку очень технологичной и простой в изготовлении, не предъявляющей строгих требований для пространственной ориентации и укладки в упорядоченные ряды.
Выполнение наружного и внутреннего колец, а также конической пружины переменной жесткости из полимерных материалов придает насадочным элементам большую химическую стойкость и удельную прочность (чем у металлических материалов пружин и наружных тел), что особенно актуально при очистке газовых выбросов и продуктов массообменных процессов от сернистых соединений и паров кислот в химической, нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей и других отраслях промышленности. Кислотостойкость и устойчивость к сернистым соединениям обеспечит сохранность поверхностных свойств динамических насадочных элементов, позволит проявлять устойчивые динамические свойства в процессе эксплуатации массообменного оборудования, обеспечит стабильное протекание тепло- и массообменных процессов и устойчивость оптимальных гидродинамических режимов работы массообменных насадочных колонн, что в свою очередь обеспечит высокие показатели улавливания извлекаемых компонентов из газофазных выбросов (на примере процесса абсорбции) и повысит производительность массообменных аппаратов.
На чертеже показан общий вид динамической насадки для тепло- и массообменных процессов.
Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из выполненных из полимерного материала наружного тела вращения, выполненного в виде кольца Рашига 1 с внутренним диаметром D, и внутреннего тела вращения, выполненного в виде кольца Рашига 2 с наружным диаметром d. Отношение наружного диаметра d внутреннего кольца 2 к внутреннему диаметру D наружного кольца 1 равно 0,7.
Наружное 1 и внутреннее 2 кольца соединены между собой посредством выполненной из полимерного материала конической пружины 3 переменной жесткости, при этом внутреннее кольцо 2 верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины 3, а верхний виток пружины 3 переменной жесткости соединен с наружным кольцом 1 на его верхнем торце. Тепло- и массообменные насадочные элементы могут засыпаться внавал или укладываться в упорядоченные ряды, в зависимости от требований конкретного процесса и аппарата и габаритных размеров насадочных элементов.
Торцы наружных колец 1 не взаимодействуют с торцами внутренних колец 2, и последние могут свободно колебаться на пружине 3 внутри наружных колец 1.
Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом.
Тепло- и массообменные насадочные элементы, состоящие из наружного кольца Рашига 1 с внутренним диаметром D и внутреннего кольца Рашига 2 с наружным диаметром d, которые соединены между собой посредством конической пружины 3 переменной жесткости, засыпаются в колонну внавал или укладываться в упорядоченные ряды.
Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ (пар) в случаях применения данной насадки для процессов абсорбции или ректификации. В случае жидкостной насадочной экстракции, экстрагент и раствор могут осуществлять через насадку различные схемы тока, противоток или прямоток. Под действием потока газа (пара) или импульса колебаний столба жидкости (насадочная пульсационная экстракция) каждое внутреннее тело вращения 2 совершает резонансные колебания, которые приводят к локальной турбулизации в пределах каждого насадочного элемента, передаются всплывающими пузырьками газа, приводят к активизации омывания пленок жидкости, покрывающих внутренние насадочные тела, либо активизируют взаимное перемешивание продуктов экстракции. Этот эффект приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа (пара) и жидкости (для абсорбции и ректификации), к активизации диффузионных процессов и взаимному перемешиванию жидкофазных продуктов экстракции, что в целом приводит к увеличению производительности тепло- и массообменных аппаратов. Выполнение наружного 1 и внутреннего 2 колец, а также  конической пружины 3 переменной жесткости из полимерных материалов придает насадочным элементам большую химическую стойкость и удельную прочность (чем у металлических материалов пружин и наружных тел), что особенно актуально при очистке газовых выбросов от сернистых соединений и паров кислот в процессах абсорбции химической, нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей и других отраслях промышленности. То есть выполнение насадочных элементов из полимерных материалов позволяет существенно расширить спектр применения динамических насадочных элементов и продлить срок службы и ревизионного обслуживания в самых неблагоприятных с точки зрения химических агрессивных воздействий условиях осуществления массообменных процессов. Кислотостойкость и устойчивость к сернистым соединениям обеспечит сохранность поверхностных свойств динамических насадочных элементов, позволит проявлять интенсифицирующие динамические свойства в процессе всего срока эксплуатации массообменного оборудования, обеспечит стабильное протекание тепло- и массообменных процессов и устойчивость оптимальных гидродинамических режимов работы массообменных насадочных колонн, что в свою очередь обеспечит высокие показатели улавливания извлекаемых компонентов из газовых выбросов (например, в процессе абсорбции) и повысит производительность массообменных аппаратов.
Таким образом, соединение выполненных из полимерного материала наружного и внутреннего колец Рашига посредством выполненной также из полимерного материала конической пружины переменной жесткости так, что внутреннее кольцо верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины, а верхний виток пружины переменной жесткости соединен с наружным кольцом на его верхнем торце, приводит к интенсификации массообменных процессов и активизации диспергирования и микроперемешивания жидкофазных продуктов экстракции и турбулизации газо-жидкостной смеси (абсорбция и ректификация) не только во всем объеме массообменной насадки, но и в пределах каждого отдельного насадочного элемента. И эти локальные интенсифицирующие эффекты проявляются естественным образом, без дополнительных энергетических затрат, за счет энергии пульсационных колебаний столба жидкости в экстракционной колонне или скоростей газовой и паровой фаз, омывающих насадочные элементы в процессах абсорбции и ректификации. Кроме того, разработанные насадочные элементы не предъявляют строгих требований к характеру укладки и пространственной ориентации, проявляя турбулизирующий эффект в любых положениях, что существенно упрощает пуско-наладочные операции и ревизионное обслуживание технологического оборудования в процессе эксплуатации.