МАССООБМЕННОЕ КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

Полезная модель относится к тепломассообменной технике, а именно к конструкциям массообменных насадочных контактных устройств, и может быть использована в нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности для осуществления массообменных процессов между жидкостью и газом.
Известно массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, формирующие между собой сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам вертикальные стержни, в котором достигается равномерное пленочное течение жидкости по поверхности перегородок и стержней, а подаваемый встречно снизу вверх газ контактирует с поверхностью истекающей жидкости, не нарушая ее равномерного пленочного течения (Авторское свидетельство СССР №1327897, опубл. 07.08.1987).
Недостатком этого известного устройства является неразвитая поверхность межфазного контакта жидкости и газа, ограниченная поверхностями истечения жидкости по перегородкам и стержням устройства, и, как следствие, недостаточная интенсивность массопереноса.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа, содержащее зигзагообразные перегородки, формирующие между собой сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и закрепленные на них в шахматном порядке вертикальные секционирующие пластины трапециевидной формы, формирующие пропускные окна между своими торцами и поверхностью зигзагообразной перегородки, а также вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам (Патент РФ на полезную модель №139121, опубл. 10.04.2014).
Это известное массообменное контактное устройство позволяет увеличить поверхность межфазного контакта между жидкостью и газом за счет установки на зигзагообразных перегородках вертикальных секционирующих пластин, поверхности которых служат дополнительными поверхностями пленочного истечения жидкости, а также позволяет выравнить по сечению устройства движение жидкости за счет шахматного расположения вертикальных секционирующих пластин на поверхностях зигзагообразной перегородки и выравнить движение газа за счет его перетока через пропускные окна между торцами секционирующих пластин и поверхностью зигзагообразной перегородки, обеспечив, тем самым, разнонаправленное обдувание газом динамически свободных тонких пленок жидкости и смягчение ударов капель жидкости об ее истекающую пленку и за счет этого снизить пенообразование в устройстве при работе на пенящихся жидкостях и обеспечить более устойчивый гидродинамический режим работы устройства.
Недостатком этой наиболее близкой к заявляемому решению полезной модели является низкая прочность массообменного устройства из-за рассредоточения секционирующих пластин по площади зигзагообразной перегородки, обуславливающая повышенную нагрузку на его опору при эксплуатации, а при формировании на этой опоре насадки из нескольких вертикально установленных один на другом массообменных устройств ведет либо к необходимости уменьшения высоты самой насадки и, как следствие, к снижению эффективности и интенсивности массообмена, либо к необходимости использования дополнительных опор, что, в свою очередь, удорожает конструкцию, усложняет технологию сборки массообменных насадок и увеличивает временные затраты на ее проведение.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в повышении прочности зигзагообразной перегородки массообменного устройства за счет формирования на противоположных поверхностях зигзагообразной перегородки смежных вертикальных рядов из секционирующих пластин, образующих собой единые пары вертикальных рядов, функционирующих в качестве ребер жесткости перегородки.
Указанный технический результат достигается тем, что в массообменном контактном устройстве для взаимодействия жидкости и газа, содержащем зигзагообразные перегородки, формирующие между собой сквозные вертикальные зигзагообразные каналы для прохождения жидкости и газа, и закрепленные на перегородках вертикальные секционирующие пластины трапецевидной формы, формирующие пропускные окна между своими торцами и поверхностью зигзагообразной перегородки, а также вертикальные стержни, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам и расположенные друг от друга на расстоянии 12 мм≤t≤28 мм, где t - расстояние между вертикальными стержнями, при этом, сами зигзагообразные перегородки выполнены с соотношением 0,6≤Н/А≤2,0, где H - высота ступени контакта, A - ширина ступени контакта,... вертикальные секционирующие пластины закреплены на зигзагообразных перегородках в их впадинах последовательно одна за другой с образованием из них вертикальных рядов, разделяющих эти перегородки по ширине на секции и формирующих, каждый, вместе со своим смежным встречно расположенным на противоположной поверхности перегородки вертикальным рядом единую пару вертикальных рядов, функционирующую в качестве ребра жесткости этой перегородки.
Формирование между вертикальными рядами секционирующих пластин равных по ширине секций способствует равномерному распределению жидкости и газа по ширине каналов.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, представленными на фигурах:
фиг. 1 - массообменное контактное устройство;
фиг. 2 - узел сопряжения вертикальной секционирующей пластины с зигзагообразной перегородкой;
фиг. 3 - вид A на фиг. 1.
Массообменное контактное устройство содержит зигзагообразные перегородки 1 (фиг. 1), формирующие между собой сквозные вертикальные зигзагообразные каналы 2 для прохождения жидкости и газа, и закрепленные на перегородках 1 вертикальные секционирующие пластины 3 трапецевидной формы, формирующие пропускные окна для перетока газа 4 между своими торцами и поверхностью зигзагообразной перегородки 1 (фиг. 2), а также вертикальные стержни 5, плотно примыкающие к зигзагообразным перегородкам 1.
Зигзагообразные перегородки 1 выполнены с соотношением H/A=0,6÷2,0, где H - высота ступени контакта, A - ширина ступени контакта. Выбор размеров зигзагообразной перегородки обоснован проведенными испытаниями, результаты которых отражены в таблице №1 и которыми установлено, что в приведенном диапазоне величин Н/А наблюдаются наиболее устойчивые динамические пленки истекающей жидкости с наименьшим дроблением их на капли. При уменьшении соотношения Н/А менее чем на 0,6 единиц, или его увеличении более чем на 2,0 единиц, устойчивость пленки резко снижается и происходит ее дробление на капли.
Вертикальные секционирующие пластины 3 (фиг. 1) закреплены на противоположных сторонах зигзагообразной перегородки 1 последовательно одна за другой в ее впадинах с образованием из них вертикальных рядов 6, разделяющих эту перегородку по ширине на равные секции 7. При этом, каждый вертикальный ряд 6 формирует вместе со своим смежным встречно расположенным на противоположной поверхности перегородки 1 вертикальным рядом 8 единую пару вертикальных рядов, функционирующую в качестве ребра жесткости 9 этой перегородки 1, повышающего ее прочность и, тем самым, снижающего нагрузку массообменного устройства на его опору (не показана).
Расстояние между вертикальными стержнями 5 соответствует следующему диапазону: 12 мм≤t≤28 мм мм. (таблица №2), поскольку экспериментально именно в таком диапазоне установлен максимальный эффект образования динамически устойчивых двухсторонних пленок жидкости между стержнями 5 и зигзагообразными перегородками 1.
Массообменное контактное устройство работает следующим образом.
Жидкость подают в массообменное устройство сверху с помощью распределительного механизма (не показан) и она стекает вниз по каналам 2 и поверхностям зигзагообразных перегородок 1. При этом, фактическая высота формируемого жидкостью слоя у кромки гиба перегородки 1 соответствует толщине ее пленки, а выбранное расстояние между стержнями 5 препятствует свободному перетоку жидкости вдоль кромки гиба зигзагообразной перегородки 1. Поэтому жидкость стекает по поверхностям перегородок сверху вниз в виде динамически-устойчивых пленок.
В местах соединения зигзагообразных перегородок 1 со стержнями 5 последние разделяют стекающую пленкой жидкость на три пленочные части: две из которых движутся по перегородке 1 с разных сторон стержня 5, а третья - движется по направлению движения жидкости сверху вниз в виде треугольных динамически-устойчивых не дробящихся на капли параллельных пленок, натянутых между обратной стороной стержня 5 и перегородкой 1, цепляясь, с одной стороны, за жидкость, стекающую по стержням 5, а с другой - за жидкость, стекающую по поверхности зигзагообразной перегородки 1. При этом, динамическая устойчивость внутренних пленок жидкости обуславливается действием сил поверхностного натяжения.
Газ поступает в массообменное устройство снизу с помощью распределительного механизма (не показан) и поднимается вверх по сквозным зигзагообразным каналам 2, частично свободно перетекая через окна 4 в сторону меньшего давления из одной секции 7 зигзагообразной перегородки 1 в другие соседние секции 7 и дополнительно турбулизирует движущиеся по каналу 2 навстречу потоки жидкости и газа, контактирует с динамически-устойчивыми пленками жидкости, не разрывая их на капли, и не формируя пузырей, и равномерно распределяется по ширине канала 2. Такой режим работы массообменного устройства способствует интенсификации массообмена и предотвращает ценообразование в устройстве.
Предложенное массообменное контактное устройство для взаимодействия жидкости и газа с совокупностью его существенных признаков позволяет повысить прочность зигзагообразной перегородки массообменного устройства за счет закрепления вертикальных секционирующих пластин последовательно одна за другой с образованием из них вертикальных рядов, разделяющих перегородку по ширине на секции и формирующих, каждый, вместе со своим смежным встречно расположенным на противоположной поверхности перегородки вертикальным рядом единую пару вертикальных рядов, функционирующую в качестве ребра жесткости этой перегородки.
Конструкция предлагаемого массообменного устройства позволяет увеличить высоту пакета массообменных контактных устройств, располагаемых в колонне на одной опоре и, как следствие, интенсифицировать процесс массообмена в нем. При этом, по высоте колонны, в которую устанавливают сами пакеты массообменных устройств в два раза сократить количество промежуточных опор для них, что значительно упрощает сборку этих пакетов в насадки, позволяя сократить затраты на производство насадок массообменных устройств и сроки их сборки.
Массообменное контактное устройство успешно прошло испытания и в настоящее время готовится к использованию в нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности для осуществления массообменных процессов между жидкостью и газом.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Таблица №1
Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различных отношениях H/a и плотности орошения 150 м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>-ч
Н/а
0,3
0,5
0,6
1,0
1,5
2,0
2,2
2,5
W
0,9
1,5
1,8
2,0
2,1
2,0
1,7
1,3
Таблица №2
Скорость захлебывания аппарата (W, м/с) при различном расстоянии между вертикальными стержнями (t, мм) и плотности орошения 150 м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>-ч
t
9
12
15
20
25
28
31
W
1,3
1,8
2,0
2,2
2,1
2,0
1,4