НАСАДОЧНАЯ КОЛОННА

Техническое решение относится к насадочным массообменным аппаратам для систем «газ-жидкость» и «жидкость-жидкость» и может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармацевтической, металлургической и в других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод, дымовых газов и вентиляционных выбросов.
Известна насадка для насадочной колонны, выполненная в виде тонкостенных колец (колец Рашига), которые засыпают в аппарат навалом или укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга (так называемой регулярной насадкой). (А.Г. Касаткин "Основные процессы и аппараты химической технологии", М.: Химия, 1971. С. 470-471; Б.А. Сокол "Насадки массообменных колонн" / Б.А. Сокол, А.К Чернышов, Д.А. Баранов и др. под ред. Д.А. Баранова, М.: ЗАО «ИНФОХИМ», 2009. С. 186-187).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая интенсивность массообменных процессов из-за неподвижности насадочных тел-колец Рашига в аппарате как неупорядочных, то есть насыпанных внавал, так и упорядоченных, то есть уложенных правильными рядами. Неподвижность насадочных тел уменьшает скорость переноса извлекаемого компонента из одной фазы в другую, а значит приводит к снижению производительности.
Известна конструкция насадки для насадочной колонны, состоящей из вертикальных проволочных спиралей с диаметром 30 мм и расстоянием между спиралями 50 мм (В.М. Рамм "Абсорбция газов", М.: Химия, 1976. С. 315).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая производительность из-за малой поверхности проволочных спиралей, на которой происходит массоперенос между сплошной и дисперсной фазами.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является насадочная колонна, содержащая цилиндрический корпус и насадку в виде многорядно уложенных в нем колец с боковой поверхностью, изогнутой по окружности с радиусом R=0,08÷0,1 м и вертикально упорядоченно установленных в рядах выпуклой стороной к оси корпуса колонны, при этом в боковой поверхности каждого кольца выполнено отверстие на расстоянии 1/4 от верхнего края. А сами кольца соединены проволокой, продетой в отверстия и имеющей форму круга диаметром, равным диаметру ряда (Полезная модель РФ №106141 "Насадочная колонна", BO1J 19/10, 2011 г.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная скорость массопередачи между сплошной и дисперсной фазами из-за неподвижности колец насадки, что приводит к уменьшению производительности.
Техническим результатом является повышение производительности насадочной колонны.
Технический результат достигается тем, что в насадочной колонне, содержащей цилиндрический корпус и насадку в виде колец, вертикально установленных в рядах, причем в боковой поверхности каждого кольца выполнено отверстие на расстоянии 1/4 от верхнего края, а сами кольца соединены проволокой, продетой в отверстия, при этом проволока выполнена в виде плоской спирали с шагом между витками, определяемым выражением
а
где  - шаг между витками плоской спирали, d - наружный диаметр кольца насадки, наружный виток проволочной спирали закреплен на внутренней поверхности корпуса колонны, а расстояние между смежными плоскими спиралями определяется выражением
где Н - расстояние между смежными плоскими спиралями по высоте, h - высота кольца насадки, причем кольца насадки разделены шайбами, надетыми на проволоку.
Выполнение проволоки в виде плоской спирали позволяет равномерно распределить кольца насадки по сечению корпуса колонны, что обеспечивает одинаковую поверхность массопередачи между сплошной и дисперсной фазами по сечению колонны и обеспечивает высокую производительность.
Выполнение шага между витками в соответствии с выражением (1) предупреждает контакт боковых стенок колец насадки между собой, что повышает поверхность массопередачи и способствует росту производительности. Уменьшение нижнего предела, равного 1,05, может привести к ударам смежных колец друг о друга, их износу или даже раскалыванию, что приводит к уменьшению поверхности контакта фаз и снижению производительности. Увеличение верхнего предела, равного 1,1, уменьшает число колец насадки, которые можно установить на проволоке в колонне, а значит снижает поверхность контакта фаз и производительность.
Закрепление наружного витка проволочной спирали на внутренней поверхности корпуса колонны позволяет всем внутренним виткам проволочной спирали вибрировать и колебаться под действием потоков сплошной и дисперсной фаз, что интенсифицирует процесс массопередачи и производительность.
Установка смежных плоских спиралей внутри корпуса колонны на расстоянии между ними на высоте, определяемой выражением (2), позволяет установить внутри корпуса максимальное число этих спиралей с сохранение возможности их колебаний и подвижности колец насадки, что увеличивает поверхность колец насадки, скорость массопередачи, а значит способствует увеличению производительности. Нижний предел этого выражения, равный 1,15, предотвращает при осевых колебаниях колец насадки их сталкивание друг с другом, что может привести к их деформации, истиранию и раскалыванию, а значит снижению производительности. Увеличение верхнего предела в выражении (2), равного 1,2 приводит к уменьшению числа плоских спиралей, устанавливаемых внутри колец насадки, а значит и поверхность массопередачи между сплошной и дисперсной фазами. Это также приводит к снижению производительности.
На фиг. 1 представлена схема фрагмента насадочной колонны в разрезе, состоящая из двух смежных витков проволочной спирали с кольцами насадки; на фиг. 2 вид сверху.
Насадочная колонна состоит из цилиндрического корпуса 1, в которой установлены проволоки в виде плоских спиралей 2 с расстоянием между витками, подчиняющемуся выражению (1). Наружный виток каждой плоской спирали 2 закреплен на внутренней поверхности корпуса 1 на опорных пластинах 3 так, что расстояние между смежными плоскими спиралями Н подчиняется выражению (2). На каждую плоскую спираль 2 одеты кольца 4 насадки высотой h и наружным диаметром d, через отверстия, расположенные на расстоянии 1/4 от верхнего края кольца 4. Между кольцами насадки установлены шайбы 5.
Насадочная колонна работает следующим образом. При противоточном движении фаз (например, жидкой сверху, а газовой снизу), под действием динамических сил набегающих потоков кольца 4 насадки начинают раскачиваться на проволоке плоских спиралей 2, создавая колебания и вибрацию в обеих фазах, что приводит к интенсификации массопередачи и производительности. Кроме того, под действием динамических сил, возникающих от потоков жидкой и газовой фаз, проволоки плоских спиралей 2 также начинают раскачиваться в осевом и радиальном направлении, что также способствует интенсификации массопередачи и росту производительности.
Таким образом, выполнение проволоки в виде плоской спирали 2 с шагом между витками, удовлетворяющему выражению (1) и закрепление на внутренней поверхности корпуса 1 наружного витка каждой плоской спирали 2 при расстоянии между смежными витками, удовлетворяющему выражению (2), а также разделение колец 4 насадки на проволоке плоской спирали 2 шайбами 5 позволяет интенсифицировать процесс массопередачи за счет перевода колец 4 насадки из статического неподвижного режима в динамический режим раскачивания, колебаний и вибрации под воздействием потоков фаз, что повышает производительность насадочной колонны.