НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к конструкциям насыпных нерегулярных насадок, используемых в процессах тепломассообмена, и может быть использована в химической, нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.
Известна насадка, состоящая из цилиндрического кольца, на боковой поверхности которого выполнены два ряда просечек прямоугольной формы, лепестки просечек расположены в шахматном порядке и отогнуты внутрь (Скобло и др. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. - М.: Недра, 2000, стр. 261).
Признаком аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемой полезной модели, является форма элемента насадки в виде цилиндра.
Недостатком данной конструкции насадки является низкая эффективность разделения, что объясняется невысокой удельной поверхностью, а также тем, что у части колец отверстия частично перекрываются стенками прилегающих колец. Это способствует образованию «застойных зон» и снижению эффективной межфазной поверхности.
Кроме того, такое конструктивное решение насадки и подобных ей имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что в процессе перераспределения на поверхности лепестков жидкая фаза формируется в виде капель, что уменьшает разделительную способность насадки, увеличивает потерю напора газового (парового) потока, увеличивает унос жидкой фазы.
Из известных насадок наиболее близкой к предлагаемой является насадка для массообменных аппаратов в виде объемного тела, образованного из полосы, причем полоса профилирована в виде желоба, обращенного внутрь или наружу объемного тела, которое выполнено в виде однозаходной или многозаходной спирали с шагом меньше длины развертки желоба [патент РФ на изобретение №2241534, B01J 19/30, B01D 3/30, опубликовано: 10.12.2004 (прототип)]. Витки многозаходовой спирали в смежных слоях перекрещиваются и (или) смещены друг относительно друга на половину шага, к тому же желоба выполнены в виде V-, U- или П-образного профиля.
Признаком прототипа, совпадающим с существенным признаком заявляемой полезной модели, является форма элемента насадки в виде винтовой поверхности.
Конструктивное исполнение профиля спирали в прототипе нарушает неравномерность турбулизации взаимодействующих потоков, что соответственно снижает эффективность массообмена.
К недостаткам подобной насадки относится также сложность ее изготовления, обусловленная необходимостью применения специальной оснастки для выполнения спирали такого профиля.
Полезная модель направлена на решение задачи по созданию эффективной насадки для тепломассообменных аппаратов с простым конструктивным исполнением.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение эффективности насыпной насадки за счет выравнивания турбулизации потоков в различных точках сечения аппарата, улучшения распределения потоков контактирующих фаз с одновременным упрощением конструкции насадки и повышением эффективности тепломассообмена в аппарате.
Технический результат полезной модели достигается тем, что в насадке для тепломассообменных аппаратов, состоящей из элементов, представляющих собой тело вращения в виде цилиндрической спирали, согласно изобретению, элемент насадки выполнен из полосы прямоугольного сечения, с шагом витка цилиндрической спирали меньшим, чем две ширины образующей его полосы прямоугольного сечения. Кроме этого, элемент насадки выполнен из полосы прямоугольного сечения толщиной 0,5-2 мм, а диаметр цилиндрической спирали элемента насадки выбран из интервала величин, находящихся в пределах от 1 до 5 ширины полосы. Отличием является также то, что элемент насадки выполнен длиной, выбранной из интервала величин, находящихся в пределах от 2 до 5 диаметров цилиндрической спирали элемента насадки.
Другими словами, элемент насадки образуется из полосы, свернутой в однозаходную цилиндрическую спираль, с шагом меньше двух ширин ленты, что исключает вхождение одного элемента насадки в другой. Длина спирали в несколько раз больше, чем ее диаметр, что делает практически невозможным вертикальное расположение элементов насадки, то есть не дает элементу насадки встать на торец при размещении насадки в аппарате (такие элементы насадок в 90% случаев просто засыпают в аппарат). Таким образом, при загрузке элементов насадки в аппарат осуществляется принцип самоориентации (без помощи монтажника), то есть оси спиралей располагаются параллельно поперечному сечению аппарата и практически параллельно друг другу, что обеспечивает равномерное распределение потока жидкости по поверхности насадки, высокую пропускную способность и малое гидравлическое сопротивление.
Выполнение элемента насадки из полосы прямоугольного сечения с шагом цилиндрической спирали, меньшим, чем две ширины образующей его полосы прямоугольного сечения, предотвращает вхождение одного элемента насадки в другой и не допускает резкого неравномерного увеличения гидравлического сопротивления слоя насадки.
Выполнение элемента насадки из полосы прямоугольного сечения толщиной 0,5-2 мм исключает потерю формы элемента насадки под действием веса вышерасположенных элементов.
Выполнение элемента насадки с диаметром цилиндрической спирали элемента насадки, который выбран из интервала величин, находящихся в пределах от 1 до 5 ширины полосы, позволяет добиться оптимального соотношения величины удельной поверхности слоя насадки с величиной гидравлического сопротивления слоя насадки.
Причем выполнение элемента насадки с диаметром цилиндрической спирали меньше 1 ширины полосы приводит к высокому гидравлическому сопротивлению слоя насадки с небольшим увеличением удельной поверхности.
Выполнение элемента насадки с диаметром цилиндрической спирали более 5 ширин полосы хотя и приводит к уменьшению гидравлического сопротивления слоя насадки, но в результате значительно уменьшается удельная поверхность слоя насадки, что требует увеличения размеров аппарата
Выполнение элемента насадки длиной, выбранной из интервала величин, находящихся в пределах от 2 до 5 диаметров цилиндрической спирали элемента насадки позволит обеспечить максимальную самоориентацию элементов насадки в аппарате в горизонтальном положении относительно друг друга и горизонтальной поверхности (дна аппарата).
Таким образом, описанная конструкция насадки позволяет исключить прямой провал жидкости и проскок газа (пара), позволяет выполнить живые сечения насадки в продольном и поперечном направлении примерно одинаковыми, что улучшает- распределение контактируемых фаз в насадке, и повышает эффективность массопередачи путем постоянного изменения направления потоков газа и жидкости на насадке.
Отличия от прототипа доказывают соответствие заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники широко известно выполнение элементов из полосы прямоугольного сечения. Однако в заявляемой полезной модели отличительные признаки, касающиеся выполнения элемента насадки с заявляемым шагом цилиндрической спирали, толщиной полосы прямоугольного сечения, диаметром цилиндрической спирали элемента насадки и длиной элемента насадки в заявляемой совокупности признаков позволяют достичь нового технического результата - исключить прямой провал жидкости и проскок газа (пара), позволяет выполнить живые сечения насадки в продольном и поперечном направлении примерно одинаковыми, что значительно повышает эффективность насыпной насадки.
Полезная модель поясняется чертежами.
а
На фигуре 1 показана развертка элемента насадки - исходная полоса для формирования элемента насадки, где , b, с - ширина, толщина и длина полосы соответственно.
На фигуре 2 представлен вариант элемента насадки в форме цилиндрического тела, выполненного в виде спирали из полосы, где h - шаг витка, l - длина элемента насадки.
На фигуре 3 представлен вид элемента насадки с торца, где d - диаметр элемента насадки.
На фигуре 4 представлена фотография опытного образца тепломассообменного аппарата с заявляемо насадкой, иллюстрирующей расположение элементов насадки.
а
Насадка для тепломассообменных аппаратов (фиг. 4) состоит из элементов, представляющих собой тело вращения в виде цилиндрической спирали. Элемент насадки выполнен из полосы прямоугольного сечения, с шагом витка цилиндрической спирали h меньшим, чем две ширины  образующей его полосы прямоугольного сечения:
a
h<2⋅,
где h - шаг витка, мм;
а
- ширина полосы, мм.
а
Элемент насадки выполнен из полосы прямоугольного сечения толщиной b - 0,5-2 мм, а диаметр d элемента насадки, цилиндрической спирали, выбран из интервала величин, находящихся в пределах от 1 до 5 ширины полосы :
a
a
≤d≤5⋅,
а
где  - ширина полосы, мм;
d - диаметр элемента насадки.
Элемент насадки выполнен длиной l, выбранной из интервала величин, находящихся в пределах от 2 до 5 диаметров цилиндрической спирали элемента насадки:
2⋅d≤l≤5⋅d,
где d - диаметр элемента насадки;
l - длина элемента насадки.
Насадка для тепломассообменных аппаратов работает следующим образом.
Расчетное количество насадки засыпают в навал в тепломассообменный аппарат (фиг. 4). Контакт между жидкостью и газом (паром) осуществляется непрерывно в противотоке по всей высоте слоя насадки как на внешней, так и на внутренней поверхности элементов насадки. Орошающая жидкость через распределительное устройство (на фигуре 4 не показано,) подается с верху слоя насадки, распределяется равномерно по поверхности элементов и стекает вниз. Газ (пар) через распределительное устройство подается снизу аппарата и движется вверх противотоком к стекающей жидкости.
Пример.
Для определения гидравлических характеристик заявляемой насадки были изготовлены элементы из металлической полосы алюминиевого сплава марки А95 с заявляемыми соотношениями размеров, а именно:
а
- 10 мм;
b - 1,5 мм;
c - 150 мм;
h - 18 мм;
l - 70 мм;
d - 15 мм.
Элементы насадки были помещены в лабораторный массообменный аппарат (колонна), выполненный из органического стекла диаметром 200 мм, высотой - 1380 мм, высота слоя насадки в аппарате 200 мм. Сверху в аппарат подавалась вода, снизу - воздух посредством компрессора (на чертеже фиг. 4 не показан).
В результате испытания насадки были получены следующие результаты:
2
3
- удельная поверхность - 220 м/м;
- доля свободног о объема (порозность) - 0,9;
- сопротивление слоя сухой насадки при скорости воздуха в колонне 0,3 м/с равно 19 Па/м;
3
2
- сопротивление слоя орошаемой насадки при скорости воздуха в колонне 0,3 м/с и плотности орошения 11 м/м⋅ч равно 75 Па/м.
Преимуществом предлагаемой конструкции элемента насадки является простота изготовления, наличие довольно сильно развитой поверхности контакта взаимодействующих фаз, высокая эффективность массобмена в широком диапазоне нагрузок по жидкости и газу за счет интенсификации турбулизации потоков и повышения степени их поперечного перемешивания, а также невысокое гидравлическое сопротивление газовому потоку, благодаря чему он может найти широкое применение в насадочных аппаратах, используемых в многотоннажных производствах.