НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам, применяемых 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 Н - соответственно высоты внутреннего и наружного колец (Описание полезной модели к патенту РФ №148733, B01J 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 Н - соответственно высоты внутреннего и наружного кольца, причем внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным с положительной плавучестью в рабочей жидкости соединено с наружным кольцом на нижнем кольце. (Описание полезной модели к патенту РФ №162267, B01J 19/30, 2016 г.).
Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов относится 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.
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, отличающееся 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 Н - соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м (Описание полезной модели к патенту РФ №174152, BO1J 19/30, 2017 г.).
Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов относится недостаточная поверхность контакта фаз, из-за чего 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, выполнена 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 внутренне 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.
Выполнение наружного кольца из того же материала, обладающего эффектом памяти, из которого выполнено внутреннее тело вращение, позволяет одновременно при высокой рабочей температуре увеличивать высоту, при этом внутреннее тело будет иметь высоту h меньше, чем высота наружного кольца Н, и не позволит внутреннему телу вращения механически взаимодействовать с выше и ниже уложенными упорядоченно в ряды наружными кольцами, то есть будет при любой температуре оставаться внутри наружного кольца Рашига. Это предотвращает разрушение рядов насадки, что привело бы к ухудшению типа тепло- и массообменных процессов и снижению производительности.
В горячем рабочем состоянии увеличение диапазона отношения (1) высот внутреннего тела вращения и наружного кольца до величин 0,85÷0,95 по сравнению с допускаемым диапазоном в прототипе  приводит к росту поверхности внутреннего кольца на 35-50%, что способствует увеличению скорости тепло- и массопередачи, а значит и производительности.
Уменьшение нижнего значения отношения (1) до предела, равного 0,85, приводит к снижению поверхности тепло- и массопередачи внутреннего тела вращения, что приводит к снижению производительности. Увеличение верхнего предела отношения (1), равного 0,95 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 ументшаются 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 врем ее работы и производительность.
На чертеже в разрезе изображено кольцо Рашига с внутренним телом вращения, выполненные из одного и того же материала, обладающего эффектом памяти в разрезе.
Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного кольца 1 с внутренним диаметром D и высотой Н и внутреннего тела вращения 2 с внешним диаметром d и высотой h. Отношение внешнего диаметра d внутреннего тела вращения 2 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 2 выполнены из одного и того же материала, обладающего эффектом памяти формы. Верхние торцы наружного кольца 1 и внутреннего тела вращения 2 соединены между собой двумя пружинами 3. Наружные кольца 1 упорядоченно установлены на опорных решетках внутри колонны, а внутри каждого наружного кольца 1 установлены внутренние тела вращения 2, при этом внутренние тела вращения 2 равномерно перфорированы.
Торцы наружных колец 1 не взаимодействуют с торцами внутренних тел вращения 2, и последние могут свободно колебаться на пружинах 3 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, внутри каждого наружного кольца 1, заранее установлено внутреннее тело вращения 2, равномерно перфорированное и соединенное с наружным кольцом 1 на верхнем торце посредством двух пружин 3. Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ(пар). Под действием потока газа каждое внутреннее тело вращения 2 совершает 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 2, выполненные из одного материала, обладающего эффектом памяти, начинает увеличивать свою длину, что приводит к увеличению поверхности тепло- массопередачи.
Пример.
Известны металлические кольца Рашига 50×50×1 (1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 2007. - 576).
1х
Также кольца 1 в холодном состоянии имеют размеры: H=50 мм, D=50 мм, δ=1.
Объем материала кольца:
а поверхность:
Объем материала внутреннего тела вращения 2 будет:
а поверхность:
Общая поверхность наружного кольца и внутреннего тела вращения составляет:
x
Установим внутри наружного кольца 1 (фиг. 1) внутреннее тело вращения 2 в виде кольца с высотой h=47,5 мм и наружным диаметром d=35 мм с толщиной стенки также 1 мм.
В горячем рабочем состоянии кольцо Рашига увеличивает высоту на 20%, то есть:
Г
При сохранении наружного диаметра D=50 мм и постоянство объема материала кольца 1 его толщина уменьшится и станет δ=0,83 мм. Тогда поверхность наружного кольца 1 в горячем рабочем состоянии увеличивается и станет:
В горячем рабочем состоянии внутреннее тело вращения 2, выполненное наружное кольцо 1 из того же материала, обладающего эффектом памяти, что и увеличивает свою высоту на 20%, то есть  то есть остается внутри наружного кольца 1.
При сохранении наружного диаметра d=35 мм и постоянство объема материала внутреннее тело вращения 2 его толщина уменьшится и станет:
Тогда поверхность внутреннего тела вращения 2 в горячем рабочем состоянии увеличивается и станет:
Общая поверхность предлагаемой насадки в горячем состоянии составит
Увеличение поверхности такой насадки в горячем состоянии составляет:
то есть возрастает не 20% по сравнению с поверхностью в холодном нерабочем состоянии.
По сравнению с прототипом, где из материала, обладающей эффектом памяти выполняется внутреннее тело вращения 2 его наружный диаметр  а максимальная высота
В этом случае наибольшая высота в рабочем горячем состоянии для внутреннего тела вращения 2 даже если увеличивается в 1,3 раза (не 30%) за счет эффекта памяти и будет равна:
а поверхность составит:
Площадь поверхности наружного кольца 1 останется неизменной, так как оно в прототипе выполнено из обычного металла, не обладающего эффектом памяти.
Тогда общая площадь поверхности наружного кольца 1 и внутреннего тела вращения 2 составляет в рабочем горячем состоянии:
Таким образом, изготовление наружного кольца 1 вместе с внутренним телом вращения 2 из материала, обладающего эффектом памяти приводит к увеличению поверхности тепло- массопередачи предлагаемой конструкции насадки по сравнению с прототипом:
то есть в 1,22 раза.
Кроме того, выполнение наружного кольца 1 из материала, обладающего, эффектом памяти позволяет значительно упростить и ускорить процесс удаления термических отложений: сажи, накипи, солевого камня и других продуктов термической деструкции. С теплопередающих поверхностей наружного кольца 1 и внутреннего тела вращения 2, так как при охлаждении и изменении их высоты за счет эффекта памяти эти термические отложения охрупчиваются и разламываются и в дальнейшем их остатки несложно удалить струями промывной жидкости или продувкой сжатым воздухом. Это уменьшает время очистки и увеличивает время основной работы, а значит и производительность.