РЕГУЛЯРНАЯ НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
REGULAR PACKING FOR HEAT-AND-MASS EXCHANGE APPARATUSES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, применяемых для проведения тепло- и массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость, таких как процесс ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также может найти применение в технологических процессах химической, нефтяной, газовой и других отраслей промышленности.
Уровень техники
В патенте 0130745 А2 (ЕР МПК F28F 25/08, B01D 53/18, F28C 1/02, опубл. 21.06.84) описана регулярная насадка, выполненная из вертикально установленных гофрированных листов, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом. Гофры соседних соприкасающихся друг с другом листов выполнены по диагонали в противоположных направлениях. Листы выполнены с отверстиями или просечками в виде арок, отогнутых треугольников, прямоугольников или четырехлистников, расположенными на сторонах гофр.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы насадки, применяемой для тепло- и массообменных процессов.
Общим с предлагаемой конструкцией насадки является наличие гофрированных листов, расположенных вертикально, с имеющимися в них отверстиями и просечками.
Конструкция данной насадки не позволяет в полной мере обеспечить эффективность тепло- и массообменных процессов вследствие неравномерного распределения потоков и недостаточно развитой поверхности контакта фаз.
Из патента на полезную модель 77406 (RU МПК F28C 3/06, опубл. 12.02.2008) известна регулярная насадка, состоящая из рядов вертикально расположенных просечно-вытяжных листов. Просечно-вытяжные листы гофрированы и расположены в насадке вершинами друг к другу с образованием горизонтальных каналов.
Общим с предлагаемой конструкцией насадки являются гофрированные листы, собранные в пакеты и расположенные вертикально таким образом, чтобы образовать горизонтальные каналы.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Известна регулярная насадка «АВР». Авторскими правами на насадку «АВР» обладает ООО "НТ Нефть и Газ". Конструкция и принцип работы данной насадки подробно описаны на Интернет сайте [http://www.ntng.ru]. Насадка «АВР» состоит из блока, сформированного зигзагообразными перегородками, образующими в плоскостях контакта каналы вертикальных решеток. На границе контакта происходит дробление жидкости.
Общим с предлагаемой конструкцией насадки является наличие гофрированных листов, образующих вертикальные каналы.
Недостатком таких конструкций регулярных насадок является низкая эффективность работы на средах, характеризующихся повышенной загрязненностью и склонных к образованию осадка, что связано с наличием сетчатого материала между гофрированными листами.
Наиболее близкой (прототип) к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является регулярная насадка, описанная в [И.И.Поникаров. Машины и аппараты химических производств. Изд-во Машиностроение, 1989 г., с.98-99].
Известная регулярная насадка состоит из вертикальных металлических гофрированных листов. Листы имеют одинаковую форму со строго установленным углом сгиба и шагом гофрирования. Гофрированные листы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и образуют зигзагообразные вертикальные каналы. Листы собираются в пакеты и устанавливаются в массообменный аппарат. Принцип процесса следующий: жидкость, поступая в верхнюю часть аппарата, стекает по зигзагообразным вертикальным каналам вниз. Газ (пар), поступая из нижней части аппарата, поднимается вверх. В результате этого на насадке образуется пленочная область контакта фаз, на которой происходит массообмен между жидкостью и газом (паром).
Общим в конструкции данной насадки и настоящего изобретения является наличие вертикально установленных гофрированных листов.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Задачей изобретения является создание новой высокоэффективной регулярной насадки для проведения тепло- и массообменных процессов.
Технический результат
Технический результат изобретения заключается в
- повышении эффективности работы насадки и интенсивности процессов тепло- и массообмена,
- уменьшении габаритных размеров аппарата и, как следствие, сокращении капитальных затрат на его изготовление.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображена регулярная насадка для тепло- и массообменных аппаратов;
на фиг.2 - гофрированные листы регулярной насадки;
на фиг.3 - схема движения газа и жидкости по насадке;
на фиг.4 - лабораторная установка для испытания насадки.
На фиг.1 приводится конструкция регулярной насадки для тепло- и массообменных аппаратов. На фиг.2 приводится конструкция гофрированных листов регулярной насадки. На фиг.3 приводится схема движения газа и жидкости по насадке. На фиг.4 приводится лабораторная установка для испытания насадки.
Раскрытие изобретения
Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации регулярной насадки, предназначенной для проведения тепло- и массообмена, состоящей из собранных в пакеты гофрированных листов, установленных вертикально, вершинами гофр друг к другу, достигают за счет того, что используются гофрированные листы двух видов, установленные попеременно, листы чередуются между собой и в листах проделаны вырезы таким образом, чтобы стал возможен вход вершин гофр листа первого вида, в прорези вершин гофр листа второго вида с образованием щелей между ними (фиг.1). На вершинах гофр листов первого вида имеются небольшие горизонтальные площадки, а в собранном виде гофрированные листы образуют горизонтальные, ромбовидные каналы и вертикальные зигзагообразные каналы.
Сопоставительный анализ прототипа и заявленного изобретения показывает, что общим конструктивным признаком являются вертикально установленные гофрированные листы.
Отличительной особенностью заявленного изобретения является то, что насадка состоит из листов двух видов. На вершинах гофр листов первого вида имеются небольшие горизонтальные площадки, а в вершинах гофр второго вида имеются прорези, при сборке вершинами гофр листа первого вида и вырезами гофр листа второго вида образуются щели.
Сущность предлагаемой регулярной насадки иллюстрируется чертежом (фиг.1). В насадке используются конструкции листов двух видов 1 и 2 (фиг.1), которые располагаются попеременно. Угол сгиба α гофрированных листов может быть различным, на фиг.1 приведено изображение насадки, выполненной с углом сгиба α, равным 90°. Возможно использовании насадки с углом сгиба от 60 до 120°. Угол выбирается в зависимости от условий протекания тепло- и массообмена, что позволяет обеспечить максимально эффективное проведение процессов.
В гофрированном листе 1, показанном на фиг.2, имеются вырезы 7. Вырезы 7 сделаны на краях вершин гофр и имеют одинаковую форму. Также на вершинах гофр имеются небольшие горизонтальные площадки 3, выступающие на 5-10 мм. Площадки 3 образуются за счет сплющивания небольшого участка вершины гофры. Площадки 3 могут быть расположены не только горизонтально, но с небольшим наклоном (до 10°) вверх. Расположение площадки с наклоном будет способствовать поддержанию постоянного уровня жидкости в горизонтальных каналах ромбовидной формы. Ко всему прочему, площадки 3 могут иметь не прямой профиль, а зигзагообразный, что позволяет жидкости стекать с площадки не сплошной плоской струей, а множеством мелких струй, это позволит повысить эффективность массообмена. Гофрированный лист второго вида 2, показанный на фиг.1 и 2, выполнен следующим образом: в вершинах гофр просечкой проделаны прорези 4. Прорези имеют одинаковую форму. Размеры прорезей 4 могут варьироваться и подбираться в зависимости от свойств среды, расхода жидкости и газа (пара). При обработке загрязненных сред, когда возможно забивание и закоксовывание, размер прорезей может быть увеличен. Данная конструкция гофрированных листов позволяет выполнять стыковку листов вида 1 и 2 (фиг.1). Стыковка происходит следующим образом: вершины гофрированного листа 1 входят в прорези вершин гофр листа 2 с образованием щелей для прохождения газа и жидкости. В собранном виде гофрированные листы образуют горизонтальные ромбовидные каналы. Также данная компоновка образует вертикальные каналы сложной зигзагообразной формы. Для уменьшения гидравлического сопротивления слоя насадки возможно проделывание просечек, вдоль на сторонах гофр на листе второго вида. На фиг.2 показан гофрированный лист второго вида 8 с проделанными просечками 9.
Схема движения потоков газа и жидкости показана на фиг.3. Жидкость стекает сверху вниз, накапливаясь в нижней части ромбовидных каналов и образуя плоские струи при истечении с площадок 3 (фиг.2). Газ поднимается снизу вверх по зигзагообразным каналам, эжектируя жидкость, стекающую с площадок 3 (фиг.2). Взаимодействие газа и жидкости осуществляется в ромбовидных каналах при взаимодействии потоков. При истечении с площадки 3 (фиг.2) сначала струи жидкости и газа движутся параллельно прямоточно, а затем ударяются о противоположную стенку, интенсивно перемешиваясь. Это приводит к увеличению интенсивности процессов тепло- и массообмена и повышению эффективности работы насадки. Это, в свою очередь, приведет к снижению габаритов аппарата.
Осуществление изобретения
Предлагаемая регулярная насадка работает следующим образом.
Поток газа (пара) проходит снизу вверх зигзагообразно по каналам, образованными листами насадки (фиг.3.). Жидкость стекает сверху вниз. Течение жидкости происходит следующим образом: поток жидкости устремляется в горизонтальный ромбовидный канал 5 (фиг.1) и частично заполняет его. Далее жидкость стекает на нижний соседний ромбовидный канал по площадке 3 (фиг.1). Таким образом, весь пакет гофрированных листов частично заполняется жидкостью, и определенный уровень жидкости постоянно присутствует в ромбовидных каналах. При этом жидкость стекает зигзагообразно, постоянно изменяя направление, что способствует перемешиванию и увеличению интенсивности тепло- и массообмена. Газ (пар) движется зигзагообразно снизу вверх. Он не может пройти через прорези 4 (фиг.1), так как ему препятствует слой жидкости, который постоянно присутствует в ромбовидных каналах, а также некоторое препятствие создает наклон вверх площадки 3 (до 10°). Газ устремляется в область 6 (фиг.1), при этом захватывает стекающую жидкость с площадок 3, тем самым создавая эффект эжектирования. На фиг.3 подробно показана схема движения потоков газа и жидкости.
Новая насадка была испытана на лабораторной установке, изображенной на фиг.4. Лабораторная установка содержала насадочный аппарат 10, емкость с жидкостью 11, баллон с газом (воздухом) 12, вентили 13, 14, 15, 16. Пакет насадки состоял из трех гофрированных металлических листов высотой 0,15 м, шириной 0,10 м. Имелось три гофра на каждом листе, угол сгиба гофров составлял 90°. Шаг гофров составлял 0,05 м, высота гофр 0,03 м. Эксперименты проводились следующим образом: открывались последовательно вентили 16, 13, 15, 14. Устанавливался расход жидкости, равный 150 мл/с, и расход газа 1 л/с. Через прозрачную стенку корпуса пакета насадки, выполненную из оргстекла, наблюдали за течением жидкости и газа. Проведенные эксперименты подтвердили принципиальную возможность работы насадки, доказали, что насадка обеспечивает эффективное взаимодействие газа и жидкости внутри ромбовидных каналов с образованием развитой поверхности контакта фаз.
Таким образом, в новой конструкции насадки создаются более благоприятные условия для протекания процессов тепло- и массообмена, чем в известных аналогичных конструкциях.