Насадка для тепло- и массообменных процессов

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам, применяемым в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов 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 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 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 недостаткам этой конструкции относится постоянство поверхности обоих тел вращения, выполненных в виде колец Рашига, что не позволяет регулировать поверхности тепло- и массопередачи между паром и жидкостью и  не позволяет получать  постоянно высокую концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из колонны, а значит снижает производительность по этому компоненту и всей конструкции в целом.
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 и соединено с наружным кольцом на нижнем кольце (Описание полезной модели к патенту РФ №162267, В01J 19/30, 2016 г.).
Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов является постоянная величина поверхностей кольца Рашига и внутреннего тела вращения, что в процессе ректификации не позволяет изменять величину этих поверхностей при изменении температуры пара жидкости. Это ухудшает скорость тепло- и массообменных процессов и снижает концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из колонны, а значит уменьшает производительность по этому компоненту.
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, отличающаяся 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 является недостаточная поверхность контакта фаз, из-за чего уменьшается производительность самой конструкции.
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 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 из материала, обладающего эффектом памяти, и соединено с наружным кольцом на верхнем торце, причем наружное кольцо выполнено из того же материала, обладающего эффектом памяти, что и внутреннее тело вращения, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца в горячем рабочем состоянии лежит в пределах:
где h и Н - соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м (Описание полезной модели к патенту РФ №189422, ВО1J 19/30, 2019 г.).
Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов является недостаточная подвижность внутреннего тела вращения относительно наружного кольца, которая уменьшает скорость тепло- и массопереноса, а значит уменьшается производительность самой конструкции.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепло- и массообменных процессов ректификации является увеличение производительности.
Технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого тел вращения, выполненных из одного и того же материала с эффектом памяти и 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, причем внутреннее тело вращения выполнено в виде двух частей, соединенных между собой  винтовыми пружинами, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца в горячем рабочем состоянии лежит в пределах:
(1)
где h и H – соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м.
Выполнение внутреннего тело вращения виде двух частей, соединенных между собой винтовыми пружинками, позволяет насадке совершать осевые  и продольные колебания относительно друг друга и внутри наружного кольца, что способствует увеличению скорости тепло- и массопередачи, а значит и производительности.
Выполнение внутреннего тело вращения разделенного на две части и соединенных между собой  посредством винтовых пружинок, позволяет проводить свободно регенерацию, так как они  не соединены жестко между собой, а свободно устанавливается внутри внутреннего тела вращения относительно наружного кольца. Их можно разбирать, что в свою очередь уменьшит время очистки и увеличит время основной работы, а значит и повысит производительность.
В горячем рабочем состоянии увеличение диапазона отношения (1) высот внутреннего тела вращения и наружного кольца до величин 0,6÷0,7 приводит к росту поверхности внутреннего кольца на 30-40%, что способствует увеличению скорости тепло- и массопередачи, а значит и производительности.
Уменьшение нижнего значения отношения (1) до предела, равного 0,6, приводит к снижению поверхности тепло- и массопередачи внутреннего тела вращения, что приводит к снижению производительности. Увеличение верхнего предела отношения (1), равного 0,7 может вызвать при монтаже внутреннего тела вращения на наружном кольце перекос их установки относительно друг друга или в процессе работы при колебаниях внутреннего кольца под действием потока газа, а также удары внутреннего кольца о торцы наружных колец в выше- и ниже расположенных рядах, приводящие к механическим повреждениям, уменьшенной амплитуды колебаний внутреннего кольца или их полному прекращению и снижению производительности.
Использование для изготовления наружного кольца и внутреннего тела вращения одного и того же материала, обладающего эффектом памяти, позволяет значительно упростить и ускорить процессы очистки и удаления термических тепло- и массопередающих поверхностей наружного кольца и внутреннего тела вращения, что будет способствовать увеличению производительности.
При остановке работы колонны температура наружных колец и внутреннего тела вращения уменьшается, их высоты Н и h также уменьшаются до величины, соответствующей их размерам в холодном состоянии. При таких предельных изменениях размеров термические отложения (солевой камень, сажа и др.) растрескиваются, разламываются и легко смываются водой или раствором или сдуваются сжатым воздухом. Это уменьшает время подготовки колонны с насадкой к новому циклу работы, а значит увеличивает основное время ее работы и производительность.
На фиг. 1 в разрезе изображено кольцо Рашига с внутренним телом вращения в разрезе, на фиг. 2 показана упорядоченно уложенная насадка предлагаемой конструкции в массообменном аппарате.
Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного кольца 1 с внутренним диаметром D и высотой H и внутреннего тела вращения  с внешним диаметром d  и высотой h. Внутреннее тело вращения выполнено в виде двух частей – верхней 2 и нижней 3, соединенных между собой двумя винтовыми пружинками 4. Отношение внешнего диаметра d внутреннего тела вращения, разделенного на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, к внутреннему диаметру D наружного кольца 1 равно 0,7, а отношение их высот в нагретом горячем рабочем  состоянии  подчиняется условию (1). Наружное кольцо 1 и внутреннее тело вращения, разделенные на две части верхнюю 2 и нижнюю 3,  выполнены из одного и того же материала, обладающего эффектом памяти формы. Наружные кольца 1 упорядоченно установлены на опорных решетках внутри колонны, а внутри каждого наружного кольца 1 установлены внутренние тела вращения, разделенные на две части: верхнюю 2 и нижнюю 3.
Торцы наружных колец 1 не взаимодействуют с торцами внутренних тел вращения, разделенных на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, и последние могут свободно колебаться на пружинках 4 внутри наружных колец 1.
Насадка для тепло- и массообменных процессов  работает следующим образом. Крупные наружные кольца 1 укладываются правильными рядами со сдвигом верхних рядов относительно нижних, при этом послойно внутри каждого наружного кольца 1, устанавливается внутреннее тело вращения, выполненное в виде верхней 2 и нижней 3 частей, соединенных между собой  винтовыми пружинками 4. Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ (пар). Под действием потока газа каждое внутреннее тело вращения, выполненное в виде верхней 2 и нижней 3 частей, соединенных между собой  винтовыми пружинками 4, совершает  осевые колебания, которые передаются всплывающими пузырьками газа. Это обстоятельство приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа и жидкости и к увеличению производительности тепло- и массообменных процессов в целом.  Под действием тепла наружного кольца 1 вместе с внутренним телом  вращения, разделенного на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, выполненные из одного материала, обладающего эффектом памяти, начинает увеличивать свою длину, что приводит к увеличению поверхности тепло- массопередачи. Особенно эффективно в использовании предлагаемой конструкции насадки в массообменных насадочных колоннах с пульсирующей подачей газа или пара.
При завершении цикла работы снижается температура внешние кольца Рашига и внутреннее тело вращения, выполненные из одного и того же материала, обладающего эффектом памяти,  начинают уменьшаться в длине на 10-20%. Это приводит к растрескиванию термических отложений и способствует их  удалению из насадки при продувке воздухом или  промывке водой. Это уменьшает время подготовки насадочной колонны к основному циклу работы и соответственно к увеличению производительности.
Таким образом, изготовление наружного кольца 1 вместе с внутренним телом  вращения, выполненных из одного и того же материала с эффектом памяти и подчиняющимся соотношению (1), а также выполнение внутреннего тела вращения в виде верхней 2 и нижней 3 частей, которые могут свободно колебаться на винтовых пружинках 4 внутри наружных колец 1, позволяет насадке совершать осевые колебания, что приводит к увеличению производительности. За счет того что наружное кольца 1 вместе с внутренним телом  вращения, разделенные на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, не соединены жестко между собой, их можно свободно разбирать и проводить регенерацию. После остановке работы колонны температура наружных колец 1 и внутреннего тела вращения уменьшается, их высоты Н и h при этом  уменьшаются до величины, соответствующей их размерам в холодном состоянии. Это будет способствовать уменьшению времени очистки и увеличению времени основной работы, а значит и  повысит производительность.