Насадка для массообменных процессов

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки отходящих газов от вредных примесей.
Известны спиральные металлические насадки, изготовленные из проволоки, свернутой в виде цилиндрической спирали (Насадки массообменных колонн. Под общей редакцией Д.А. Баранова. - М.: Инфохим, 2009. - с. 165-167).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая площадь поверхности проволоки, свернутой в виде цилиндрической спирали, что приводит к малой скорости массопереноса между жидкой и газовой (паровой) фазами и снижению производительности массообменных процессов.
Известна насадка для тепло-массообменных процессов, выполненная в виде двух тел вращения цилиндрической формы соосно установленных одно внутри другого на расстоянии друг от друга и жестко соединенных между собой в верхней части, причем наружное тело вращения выполнено в виде спирали, образованной витой проволочной пружиной, а внутреннее тело вращения выполнено в виде полого цилиндра (Полезная модель РФ №148732, B01D 33/00, 2014 г.).
Недостатком данной конструкции насадки является то, что при упорядоченной ее укладке в массообменном аппарате в ряды без зазора витые проволочные пружины соседних элементов насадки будут мешать колебаться друг другу в процессе работы массообменного аппарата. Упорядоченная укладка элементов насадки с зазором приведет к уменьшению их количества в единице объема массообменного аппарата, что, скажется на уменьшении площади поверхности насадки, необходимой для осуществления протекающих в нем тепло-массообменных процессов и приведет к снижению производительности протекающих тепло-массообменных процессов.
Известна массообменная колонна с плавающей насадкой для взаимодействия между газом и жидкостью, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные в нем поддерживающие распределительные решетки с прорезями, и насадку из пенополимерного материала, причем элементы насадки выполнены в виде гофр (Полезная модель РФ №173764 МПК B01D 3/24, B01D 47/14, B01J 19/32, .2017 г.).
Недостатком данной конструкции насадки является то, что при проведении массообменного процесса необходимо поддерживать высокие расходы жидкой фазы по сравнению с расходом газа, что обеспечивает псевдоожижение насадки малой плотности, в противном случае насадка всплывает к верхней решетке, что снижает производительность колонны.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является насадка для тепло-массообменных процессов, выполненная в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого на расстоянии друг от друга и жестко соединенных между собой в верхней части, причем одно тело вращения выполнено в виде витой проволочной пружины, а другое тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, при этом витая проволочная пружина установлена внутри полого цилиндра, ее нижний виток расположен под нижним торцом полого цилиндра и выполнен горизонтальным с наружным диаметром, равным наружному диаметру полого цилиндра, а жёсткость проволочной пружины определяется из выражения
где α - жёсткость витой проволочной пружины, Н/м;
m - масса полого цилиндра, кг;
с - скорость звука в газе (паре), м/с;
h - высота полого цилиндра, м.
(Полезная модель РФ №167780, B01J 19/32, 2017 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что в процессе эксплуатации при изменении физических параметров рабочих сред в зазорах между витой проволочной пружиной и полым цилиндром образуются отложения, которые приводят к прекращению резонансного режима работы насадки, ее зарастанию и, как следствие, снижению устойчивости и эффективности процесса массопереноса.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменных процессов является увеличение производительности массообменных процессов.
Технический результат достигается тем, что насадка для массообменных процессов, выполнена в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого и жёстко соединённых между собой, одно тело вращения выполнено в виде витой проволочной пружины, а другое тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, витая проволочная пружина установлена внутри полого цилиндра, причем полый цилиндр вплотную облегает витую проволочную пружину, принимая форму гофры, и выполнен из пенополимерного материала.
Выполнение полого цилиндра из пенополимерного материала, вплотную облегающую витую проволочную пружину и принимающего форму гофры, позволяет проводить массообменный процесс в условиях псевдоожиженного слоя при высокотурбулизированном трехфазном потоке газ (пар), жидкость, твердая фаза (плавающие элементы насадки) по всему объему между распределительными решетками. Это достигается тем, что геометрические параметры витой проволочной пружины и полого цилиндра выбираются с учетом плотности рабочей жидкости. Соответствие плотностей насадки и рабочей жидкости приводит к равномерному распределению насадки между распределительными решетками в широких диапазонах расходах газовой (паровой) и жидкой фазы.
Кроме того, в процессе эксплуатации насадка начинает работать в динамическом режиме колебаний, что приводит к увеличению скорости массообменных процессов и самоочищению гофрированных элементов насадки за счет вибрации поверхности гофр, что в целом повышает производительность колонны.
Насадка проста в изготовлении. Гофрированные элементы насадки имеет значительный свободный объем и поверхность. Подвижные вибрирующие эластичные стенки элементов насадки имеют высокую смачиваемую поверхность, сбивают границы раздела фаз и приводят к интенсификации массопереноса в процессе работы колонны, что повышает ее производительность
Выполнение полого цилиндра насадки из пенополимерного материала увеличивает ее положительную плавучесть, предотвращает прижимание насадки к нижележащим распределительным решеткам при больших расходах жидкости по сравнению с расходом газа (пара), обеспечивая создание взвешенного слоя насадки при высоких скоростях жидкости, движущейся вниз по колонне, что интенсифицирует массообменные процессы и увеличивает производительность.
Витая проволочная пружина внутри полого цилиндра предотвращает прижимание насадки к вышележащим распределительным решеткам при небольших расходах жидкости и повышает прочностные характеристики насадки, работающей в динамическом режиме колебания, что способствует повышению производительности.
Высокая скорость движения элементов насадки позволяет эффективно разбивать возникающие в псевдоожиженном слое газовые (паровые) пузыри, включая застойные зоны, что способствует равномерности псевдоожиженного слоя, повышает эффективность работы массообменной колонны и производительность.
На чертеже изображен общий вид в разрезе предлагаемой насадки для массообменных процессов.
Насадка для массообменных процессов состоит из витой проволочной пружины 1 и полого цилиндра в виде гофры 2. Полый цилиндр 2 вплотную облегает витую проволочную пружину 1.
Насадка для массообменных процессов работает следующим образом. Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ (пар). Вследствие соответствия плотности насадки плотности рабочей жидкости, насадка всплывает, равномерно распределяясь по всему объему между распределительными решетками. Под действием потока газа насадка совершает колебания, которые передаются всплывающим пузырькам газа (пара). Вибрирующие гофрированные стенки полого цилиндра 2 сбивают границы раздела фаз как в центральной части массообменного аппарата, так и у периферии распределительных решеток, что приводят к интенсификации массопереноса и повышает производительность массообменной колонны.
W
3
Пример. Плотность жидкости ρ=980 кг/м.
п
3
Плотность пенополимера ρ=100 кг/м.
м
3
Плотность материала стальной проволоки, из которой выполнена пружина ρ=7800 кг/м.
Высота и диаметр элемента насадки d=h=50 мм.
м
Толщина проволоки δ=2 мм, закрученной с шагом Δh=10 мм.
п
Толщина наружного гофрированного цилиндра, выполненного из пенополимера Δ=5 мм.
Число витков n=5.
Тогда длина проволоки l=1,2⋅π⋅d⋅n=94,2 мм.
м
м
м
2
Масса проволоки m=ρ⋅(π⋅l⋅δ)/4=2,3 г.
п
п
п
Масса пенополимерного цилиндра m=1,2⋅ρ⋅(π⋅d⋅h⋅Δ)/4=1,2 г.
Коэффициент 1,2 учитывает 20% гофры.
м
п
Общая масса элемента насадки m=m+m=3,5 г.
м
п
м
п
2
-6
3
Общий объем V=V+V=(π⋅l⋅δ)/4+(π⋅d⋅h⋅Δ)/4=9,8⋅10 м.
3
Средняя плотность насадки ρ=m/V=357 кг/м.
Из расчетов следует, что плотность насадки меньше плотности рабочей жидкости, то есть она имеет положительную плавучесть, что обеспечивает ее равномерное распределение по всему объему рабочей зоны массообменного аппарата между распределительными решетками под действием потока жидкости. При этом толщина проволоки и тип пенополимерного материала полого цилиндра выбираются исходя из технологических характеристик массообменного процесса.
Таким образом, выполнение насадки для массообменных процессов в виде двух тел вращения: полого цилиндра из пенополимерного материала, вплотную облегающего витую проволочную пружину и принимающего форму гофры, позволяет проводить массообмен в условиях псевдоожиженного слоя при высокотурбулизированном трехфазном потоке в широком диапазоне физических параметров рабочих сред, исключает возможность зарастания элементов насадки, обеспечивает устойчивую работу массообменного аппарата, что повышает производительность колонны.