НАСАДКА ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к контактным устройствам, устанавливаемым в массообменных колоннах, а именно к насадкам и может найти применение в химической, нефтехимической, биотехнической, фармакологической, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки дымовых газов, вентиляционных выбросов и сточных вод.
Наиболее распространены контактные насадочные устройства в виде колец Рашига и их различных модернизаций: кольца Рашига внутри пустые, кольца Лессинге, имеющие внутреннюю перегородку, и кольца Палля, имеющие несколько внутренних перегородок, а также кольца из проволочной спирали, свернутой в пружины. Кольца изготавливают из металла, фарфора, керамики, графита и различных пластиков. Диаметр кольца равен его высоте и варьируется в пределах 5-150 мм. Кольца загружаются в колонну либо внавал, либо упорядоченно в укладку. В укладку загружают, главным образом, кольца диаметром 50 мм и выше. [Машины и аппараты химических производств : Учебное пособие для вузов под общей редакцией А.С. Тимонина. – Калуга : издательство Н.Ф. Бочкаревой,2008, с.539,540].
К причинам, препятствующим достижению заявляемого технического результата, относится недостаточная производительность из-за статически неподвижных кольцевых насадок в колонне. Это уменьшает скорость тепло- и массообменных процессов, снижает поверхность смачивания насадочных тел, увеличивает вероятность накапливания сажи и других загрязнителей, что требует периодической остановки работы и затрат времени на очистку и также приводит к уменьшению основного цикла работы и производительности. Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, состоящая из наружного тела вращения в виде кольца Рашига с внутренним диаметром D и высотой H и внутреннего тела вращения, выполненного также в виде кольца Рашига с внешним диаметром d и высотой h. Отношение диаметра d к диаметру D равно 0,7, торцы обоих колец соединены между собой пружинами. Насадка может укладываться в навал внутри аппарата или упорядочено по высоте и сечению в ряды. В обоих случаях внутреннее кольцо Рашига под действием потока газовой (паровой) фазы свободно колеблется на пружинах. [П.М. 148733 РФ, МПК B01 J19/00, 2014].
К причинам, препятствующим достижению заявляемого технического результата, относится невысокая амплитуда колебаний внутреннего кольца Рашига, что уменьшает скорость тепло- и массообменных процессов и производительность в целом.
н
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, состоящая из соосно установленных одного внутри другого на расстоянии друг от друга наружного тела вращения, выполненного в виде полого цилиндра с внутренним диаметром d, и внутреннего тела вращения, образованного витой проволочной пружиной с наружным диаметром D. Полый цилиндр и витая проволочная пружина жестко соединены между собой в верхней части с помощью неразъемного или разъемного соединения. Нижний виток проволочной пружины выполнен горизонтальным с наружным диаметром D, равным наружному диаметру D полого цилиндра с толщиной его стенки δ, то есть
а упругость проволочной пружины подбирается в соответствии с уравнением
а
где  – упругость проволочной цилиндрической пружины,
Н/м; m – масса полого цилиндра, кг;
с – скорость звука в газе (паре), м/с;
h – высота полого цилиндра, м [Полезная модель №167780 РФ МПК B01 J19/32, 2016].
К причинам, препятствующим достижению заявляемого технического результата, относится ограничение амплитуды колебаний полого цилиндра, так как при упорядоченной установке насадочных тех внутри колонны под действием веса верхних рядов насадки цилиндрические пружины нижних рядов сжимаются и нижние торцы полых цилиндров ложатся на нижний виток цилиндрической пружины. Это приводит к статической неподвижности полого цилиндра, снижению скорости тепло- и массообменных процессов, загрязнению поверхностей полых цилиндров, требующей периодической их очистки, уменьшению смачиваемости всей тепло- и массопередающей поверхностей, что в целом снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является 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 кольца Рашига, и уложенных упорядочено в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7,  внутреннее тело вращения выполнено из материала, обладающего эффектом памяти, и соединено с наружным кольцом Рашига пружинами на верхнем торце, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца лежит в пределах
h
H
где  и  – соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца Рашига, м [Полезная модель №162267 РФ, МПК: B01 J19/00, 2016].
К причинам, препятствующим достижению заявляемого технического результата, относится недостаточная производительность из-за невысокой амплитуды колебаний внутреннего тела вращения на двух пружинах под действием потока газовой или паровой фазы, поднимающегося снизу вверх внутри наружного кольца Рашига и небольшая поверхность тепло- и массопередачи внутреннего тела вращения.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение производительности массообменного процесса.
Технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, состоит из кольца Рашига, выполненного с дополнительным цилиндрическим элементом, закрепленным посредством пружины, при отношении наружного диаметра дополнительного цилиндрического элемента к внутреннему диаметру кольца Рашига равному 0.7 и отношении высоты дополнительного цилиндрического элемента к высоте кольца Рашига подчиняющемуся условию
(1)
h
H
где  и  – соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца Рашига,
причем дополнительный цилиндрический элемент выполнен в виде набора колец, вложенных друг в друга и жестко зафиксированных между собой посредством стержня, подвешенного на цилиндрической пружине, закрепленной по центру штанги, установленной на верхнем торце кольца Рашига, а упругость цилиндрической пружины определяется выражением:
(2)
a
где  – упругость цилиндрической пружины, Н/м;
ν
– частота колебаний вибропривода, Гц;
М
– масса всех внутренних колец с траверсой, кг.
Исполнение внутреннего тела вращения, выполненного в виде набора дополнительных колец, жестко зафиксированных между собой посредством стержня, позволяет увеличить поверхность тепло- и массопередачи на величину, равную сумме боковых поверхностей дополнительных колец, что способствует росту тепло- и массопередачи, так как количество вещества, передаваемого в массообменном процессе, и тепловая мощность, передаваемая в тепловом процессе от одной фазы к другой, пропорциональны поверхности тепло- и массопередачи, что позволяет повысить производительность.
Установка дополнительных колец на равном расстоянии друг от друга позволяет создать внутри каждого такого кольца одинаковый кольцевой зазор, обеспечивая тем самым одинаковое гидравлическое сопротивление газожидкостного потока внутри этих кольцевых зазоров, а значит полное равномерное смачивание поверхностей контакта фаз, что также приводит к росту производительности.
Прикрепленные на верхнем торце кольца Рашига штанги дает возможность использовать ее как опору для цилиндрической пружины, на которой подвешен стержень, жестко соединяющий дополнительные кольца между собой, что позволит создать не только вертикальные резонансные колебания вместе с дополнительными кольцами и стержнем, но и радиальные раскачивания внутри кольца Рашига.
ν
п
Такое конструктивное решение при использовании цилиндрической пружины с подвешенными на ней дополнительными кольцами образует пружинный маятник с собственной частотой колебаний , определяемой уравнением
(3)
п
где ν– собственная частота колебаний пружинного маятника, Гц;
а
– упругость витков цилиндрической пружины, Н/м;
М – масса внутреннего тела вращения с траверсой, кг.
п
При равенстве собственной частоты колебаний ν и частоты вибрации, создаваемой в насадке от вибропривода ν
(4)
п
из совместного решения уравнений (3) и (4) получаем выражение для упругости цилиндрической пружины (5). При равенстве собственной частоты νпружинного маятника с частотой вынужденных колебаний ν, создаваемой в насадке виброприводом, наступает резонансный режим вибрации каждой насадки предлагаемой конструкции с высокой амплитудой, а такая вибрация приводит к повышению интенсивности тепло- и массообменных процессов внутри насадки и способствует росту ее производительности.
Известно, что наложение колебаний приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи до 700% по сравнению с теплоотдачей без вибрации теплопередающих поверхностей [Варсанофьев В.Д,, Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. – М. : Химия, 1985, с.213]. Также говорится, что при массообменном процессе абсорбции диоксида углерода водой скорость массоотдачи возрастает в 5-6 раз по сравнению с абсорбцией без вибрации [Вибрационные массообменные аппараты / под редакцией В.М. Олевского. – М. : Химия, 1980, с.128].
На фигуре представлена конструкция предлагаемой насадки в сечении.
Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из кольца Рашига 1, на верхнем торце которого (вдоль диаметра) установлена штанга 2, по центру которой закреплена цилиндрическая пружина 3. На цилиндрической пружине 3 подвешен стержень 4 (пружина 3 закреплена по центру стержня 4).
Дополнительные кольца 5 соединены между собой стержнем 4, проходящим вдоль диаметра дополнительных колец 5 на середине их высоты и жестко фиксирующим их между собой. Дополнительные кольца 5 выполнены в виде полых цилиндров разного диаметра, но одинаковой высоты и вложены друг в друга с равным зазором.
Отношение наружного диаметра d наибольшего дополнительного кольца 5 к внутреннему диаметру D кольца Рашига 1 равно 0.7, а отношение высоты дополнительных колец 5 к высоте кольца Рашига 1 подчиняется условию (1). А упругость витков цилиндрической пружины 5 определяется выражением (2).
Насадка для тепло- и массообменных процессов предлагаемой конструкции работает следующим образом.
Необходимое количество насадок предлагаемой конструкции устанавливают упорядоченно вертикально, на опорной решетке, заполняя все ее сечение внутри колонны, в несколько слоев по ее высоте, а под насадкой устанавливают вибропривод для создания вынужденных колебаний с частотой ν.
По патрубку подачи газовой (паровой) фазы, установленной в нижней части колонны под слоями насадок, газовая фаза проходит через все слои насадок с частотой вынужденных колебаний вибропривода ν снизу вверх.
п
Сверху по патрубку подачи жидкости, установленному в верхней части колонны, жидкость подается на распределительную тарелку и равномерно стекая с нее, орошает поверхности всех насадочных тел. Так как цилиндрическая пружина 3 с массой М, подвешенных на ней дополнительных колец 5 и стержня 4, образует физический маятник, имеющий собственную частоту колебаний ν равную частоте ν вынужденных колебаний газовой (паровой) фазы, создаваемой виброприводом, то возникает резонансный режим колебаний с большей амплитудой дополнительных колец 5 и стержня 4. Такой резонансный режим колебаний с большой амплитудой вызывает вихреобразование, дробление капель жидкости, создавая большую поверхность контакта фаз, что способствует интенсивности тепло- и массопередачи и, как следствие, росту производительности устройства. Дополнительный рост производительности обеспечивают внешние и внутренние поверхности дополнительных колец 5, витки самой цилиндрической пружины 3, а также не только вертикальные резонансные ее колебания вместе с дополнительными кольцами 5 и стержнем 4, но и радиальные раскачивания внутри кольца Рашига 1.
н
Пример. Расчет геометрических и технологических параметров для насадки предлагаемой конструкции. Выбираем для расчета кольцо Рашига 1 =100×100, то есть имеющее наружный диаметр D = 100 мм и высоту H = 100 мм.
При толщине стенки кольца Рашига 1, равной 4 мм внутренний диаметр кольца Рашига 1 .
Согласно формуле (1), высота внутреннего кольца
,
а наружный диаметр d
.
Так как дополнительные кольца 5 не несут нагрузки (ее воспринимают стенки наружного кольца 1 Рашига), то их изготавливаем из стали толщиной 1 мм. Разбиваем согласно формуле полезной модели диаметр  d = 64,4 мм на равные интервалы, чтобы в них установить два дополнительных внутренних кольца 3.
Тогда расстояние между стенками дополнительных колец 5
и , а
Определим поверхности тепло- и массопередачи кольца Рашига1, наибольшего дополнительного кольца 5 и остальных дополнительных колец 5, вложенных в наибольшее:
1) Поверхности кольца Рашига 1
2) Поверхности наибольшего дополнительного кольца 5
0
1
3) Тогда поверхности двух остальных дополнительных колец 5 с диаметрами d = 19 мм, d = 38 мм
Таким образом, два дополнительных внутренних кольца 5 увеличивают общую поверхность тепло- и массопередачи на
Рассчитаем массу М подвешенных на цилиндрической пружине 3 всех дополнительных колец 5 и стержня 4.
Общая поверхность листов стали дополнительных колец 5 составляет
-3
3
При толщине стальных листов 0,1 см = 1 мм и плотности стали 8·10 кг/см масса
6
6
Стержень 4, изготовленный из прутка стали диаметром d = 4 мм и длиной l = d = 64,4 мм будет иметь массу
Тогда общая масса, подвешенная на пружине
Определяем по уравнению (2) упругость витков цилиндрической пружины 3.
При частоте колебаний, создаваемой виброприводом ν = 50 Гц
или
,
то есть цилиндрическая пружина 3 должны быть такой, чтобы каждый ее виток деформировался на 1 мм при статической нагрузке 2,1 кг. Так как общий вес, подвешенный на цилиндрической пружине 3 составляет 0,2 кг, то каждый виток ее в статическом состоянии деформируется на 0,2/а ≈ 0,1 мм.
Таким образом, использование насадки для тепло- и массообменных процессов, состоящей из кольца Рашига, выполненного с дополнительным цилиндрическим элементом, в виде набора дополнительных колец, жестко зафиксированных между собой посредством стержня, подвешенного на цилиндрическая пружине, позволяет повысить производительность массообменного процесса.