НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам для проведения тепло- и массообменных процессов в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, атомной, теплотехнической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки жидкостей и газов при проведении процессов абсорбции, экстракции и ректификации.
Известны насадки, выполненные в виде тонкостенных колец, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца, изготовленные из керамики, фарфора, металла или полимеров (Рамм, В.М. Абсорбция газов; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976. - с. 312.; Насадки массообменных колонн. Под общей редакцией Д.А. Баранова. - М.: Инфохим, 2009. - с.с. 17, 57, 58, 63, 64, 80, 111, 150.)
К недостаткам этих конструкций насадок относятся невысоко развитая поверхность колец, на которой происходят процессы тепло- и массообмена, и неподвижность этой поверхности во времени протекания этих процессов, что приводит к образованию застойных зон и снижению производительности.
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого тел вращения из спиральной полосы, оба тела вращения имеют идентичную форму и выполнены в виде коаксиальных цилиндрических поверхностей, причем внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, а высота внутреннего и наружного тел вращения одинаковая (авторское свидетельство СССР №701675, МПК B01D 53/20, 05.12.1979 г.).
К недостаткам этой насадки относится недостаточное увеличение поверхности контакта фаз из-за выполнения обоих тел вращения из спиральной полосы, а также невозможности совершать колебания из-за жесткого соединения внешнего в внутреннего тел вращения друг с другом, что уменьшает интенсивность тепло- и массообменных процессов и приводит к снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, относится насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде уложенных упорядоченно в ряды, расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, при этом внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, сами тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены на торцевых частях посредством не менее двух пружин, при этом отношение наружного диаметра внутреннего кольца к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
где h и Н - соответственно высоты внутреннего и наружного колец (патент на полезную модель РФ №148733, B01Y 19/00, 10.12.2014 г.).
К недостаткам этой насадки относится ограниченная поверхность контакта фаз при установке элементов такой насадки упорядоченно в ряды на опорных решетках внутри колонны, проскок потоков жидкости и газа в зазор между внешними смененными боковыми поверхностями наружных колец без колебаний границы раздела фаз жидкости и газа, что снижает интенсивность тепло- и массообменных процессов и приводит к уменьшению производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепло- и массообменных процессов является увеличение интенсивности тепло- и массообмена.
Поставленный технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде уложенных упорядоченно в ряды, расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены пружиной, отношение наружного диаметра внутреннего кольца к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
где h и Н - соответственно высоты внутреннего и наружного колец, причем насадка снабжена дополнительным телом вращения, установленным с внешней стороны наружного кольца на расстоянии от него и соединенным пружиной, проходящей через боковую стенку наружного кольца, с внутренним кольцом, при этом высота внутреннего кольца равна высоте дополнительного тела вращения, а пружина соединяет внутреннее кольцо, наружное кольцо и дополнительное тело вращения в точках, равноудаленных от их торцов, при этом отношение:
н
н
где d и D - соответственно внешние диаметры дополнительного тела вращения и наружного кольца, мм.
Снабжение насадки дополнительным телом вращения, позволяет увеличить поверхность контакта фаз, участвующих в тепло- и массообменном процессе.
Установка снаружи наружного кольца дополнительного тела вращения с высотой, равной высоте внутреннего кольца, предотвращает касание торцами дополнительного тела вращения внешних поверхностей смежных наружных колец Рашига, упорядочено установленных на опорных решетках внутри колонного аппарата, так как высота дополнительного тела вращения h составляет (0,8÷10,9) от высоты наружных колец Рашига и совпадает с высотой внутренних колец Рашига. Это увеличивает поверхность контакта фаз, участвующих в тепло- и массообменном процессе и приводит к увеличению интенсивности тепло- и массообмена.
Установка дополнительного тела вращения на расстоянии от наружного кольца Рашига позволяет ей не соприкасаться с внешней боковой поверхностью этого кольца, что увеличивает поверхность контакта фаз, участвующих в тепло- и массообменном процессе и приводит к увеличению интенсивности тепло- и массообмена.
Увеличение верхнего предела отношения (2) равного 0,14 также может привести к касаниям ее наружной боковой к наружным боковым поверхностям смежных внешних колец Рашига, что уменьшает поверхность контакта фаз, участвующих в тепло- и массообменном процессе и приводит к снижению интенсивности тепло- и массообмена.
Уменьшение нижнего предела отношения (2), равного 0,12, чрезмерно уменьшает внешнюю и внутреннюю поверхность дополнительного тела вращения, что приведет к уменьшению поверхности контакта фаз, а значит и снизит интенсивность тепло- и массообмена.
Соединение внутреннего кольца, наружного кольца и дополнительного тела вращения в точках, равноудаленных от их торцов, способствуют колебаниям кольца и дополнительного тела вращения под действием восходящего газового потока. Это приводит к тому, что гладкие пленки жидкости на боковых стенках внутреннего кольца и дополнительного тела вращения начинают колебаться вместе с этими стенками, в результате чего на жидкостной пленке образуются волны, скорость течения и поверхность которых значительно больше скорости течения и поверхности гладкой пленки жидкости. Это способствует увеличению интенсивности тепло- и массообмена на границе раздела фаз газового и жидкого потоков.
Кроме того, установка дополнительного тела вращения снаружи наружного кольца предотвращает проскок жидкой и газовой фаз в зазоре между внешними поверхностями наружных колец Рашига и вовлекает их в дополнительный тепло- и массообменный процесс, интенсифицируя его.
Таким образом, установка дополнительного тела вращения снаружи наружного кольца на расстоянии от него и с высотой, равной высоте внутреннего кольца при отношении внешнего диаметра этого дополнительного тела вращения к внешнему диаметру наружного кольца, подчиняющемуся условию (2), и соединение внутреннего кольца, наружного кольца и дополнительного тела вращения пружиной в точках, равноудаленных от их торцов, позволяет увеличить поверхность тепло- и массопередачи между газовой и жидкой фазами, что в значительной мере приводит к интенсификации этих процессов, чему способствуют также колебания внутреннего кольца и дополнительного тела вращения, передающиеся к потокам обеих фаз.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемой конструкции насадки в разрезе, на фиг. 2 - фрагмент вида сверху в сечении нескольких смежных насадок.
н
н
Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного тела вращения 1 в виде кольца Рашига с внутренним диаметром D и высотой Н при наружном диаметре D и внутреннего тела вращения, выполненного также в виде кольца Рашига 2 с внешним диаметром d и высотой h, подчиняющейся условию (1). С внешней стороны наружного кольца 1 на расстоянии от него установлено дополнительное тело вращения 3 с высотой h, равной высоте внутреннего кольца Рашига 2 и наружным диаметром d, подчиняющемуся условию 2. Внутреннее кольцо Рашига 2 и дополнительное тело вращения 3 на пружине 4, проходящей через боковую стенку наружного кольца 1. Пружина 4 соединяет внутреннее кольцо Рашига 2, наружное кольцо Рашига 1 и дополнительное тело вращения 3 в точках, равноудаленных от их торцов.
Насадка установлена упорядоченно в ряды. В этом случае торцы внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3 свободно висят на пружине 4 и могут свободно колебаться внутри и снаружи наружного кольца Рашига 1.
Насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом. Насадки устанавливают упорядоченно в ряды внутри колонны. Сверху насадку орошают жидкостью, а снизу подают газ.
Под действием потока газа каждое внутреннее кольцо Рашига 2 и дополнительное тело вращения 3 совершают колебания, которые передаются стекающей по их поверхности пленке жидкости, тем самым увеличивая скорость ее течения, тем самым увеличивая скорость ее течения по насадке и поверхность раздела фаз. Это приводит к интенсификации тепло- и массообменных процессов.
н
Так как высоты h внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3 подчиняются условию (1), то есть меньше высоты Н наружного кольца Рашига 1, то смежные торцы наружных колец Рашига 1 не соприкасаются с торцами внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3. Аналогичные условия по наружному диаметру d внутреннего кольца 2 и наружному диаметру d, соответствующие соотношению (2), также не позволяют соприкасаться выше названным торцам внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3 с поверхностями наружного кольца Рашига 1. Это позволяет совершать колебания внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3 на пружине 4 и с большой амплитудой, что еще больше увеличивает интенсифицирует тепло- и массообменные процессы. Механическую прочность предлагаемой насадки обеспечивают наружные кольца 1.
Таким образом, предлагаемая конструкция насадки для тепло- и массообменных процессов за счет установки дополнительного тела вращения 3 снаружи наружного кольца Рашига 1 на расстоянии от него с высотой равной высоте внутреннего кольца Рашига 2, при отношении внешнего диаметра этой трубки к внешнему диаметру наружного кольца, подчиняющемуся условию (2), а также закрепление внутреннего кольца 2 и дополнительного тела вращения 3 на пружине 4, проходящей через боковую поверхность наружного кольца 1, позволяет увеличить поверхность раздела фаз жидкости и газа, и тем самым интенсифицировать тепло- и массообмен, чему так же способствуют интенсивные колебания внутреннего кольца 2 и дополнительного тела вращения 3 на пружине 4 без образования застойных зон.