РЕГУЛЯРНАЯ ЛЕНТОЧНО-ВИНТОВАЯ НАСАДКА

Изобретение относится к технологическому оборудованию массообменных колонн и, в частности, к регулярным насадкам ректификационных колонн. Наиболее перспективно использование предлагаемой насадки для ректификации жидкостей с целью разделения на фракции.
Известна и широко применяется насадка Зульцера, содержащая пакеты из вертикальных гофрированных перфорированных или сетчатых листов из нержавеющей стали или другого инертного материала, в которой в каждом пакете листы параллельны, гофры соседних листов наклонены друг относительно друга, между гофрированными листами могут прокладываться плоские, в листах могут выполняться отверстия. (Б.М.Андреев и др.. Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. М, Энергоатомиздат, 1982, стр.52).
Недостатком этой конструкции является нетехнологичность изготовления, вызванная наличием большого количества отдельных гофрированных листов относительно небольших размеров, а также тем, что крайние к стенке каналы упираются в стенку и не участвуют в работе, а также большим количеством горизонтальных стыков между составляющими пакетами, в которых нарушается процесс массообмена.
За прототип выберем регулярную рулонную ленточно-винтовую насадку. (Патент RU №2424052 «Регулярная рулонная ленточно-винтовая насадка» авт. И.Л.Селиваненко, К.Д.Суворкин, приоритет 24.09.2009 г.). Регулярная насадка для ректификационных колонн состоит из цилиндрических рулонов требуемой длины, составленных слоями поочередно из гофрированной микросетки и плоской микросетки с образованием между собой винтовых каналов для прохода пара. Техническая задача заключается в улучшении эксплуатационных характеристик прототипа.
Техническая задача достигается тем, что регулярная насадка для ректификационных колонн состоит из центрального стержня и цилиндрических слоев, намотанных из гофрированных перфорированных или сетчатых лент таким образом, что гофры лент соседних цилиндрических слоев направлены под углом друг к другу с образованием винтовых пересекающихся между собой каналов для прохода пара, причем угол наклона канала к оси колонны и высота гофра могут отличаться от слоя к слою.
Отличие заявляемого изобретения от прототипа состоит в отсутствии слоев из плоских листов. На первый взгляд, предлагаемое решение пародоксально - плоский слой является разделителем перекрещивающихся каналов для потоков пара и увеличивает площадь поверхности контакта жидкой и газообразной фаз. Именно поэтому авторами и был получен патент на прототип. Однако результаты экспериментов показали преимущество заявляемой насадки перед прототипом по пропускной способности и ВЭТС. Видимо, это связано с неодинаковым стеканием пленки жидкости по плоскому и гофрированному слоям, более эффективному массообмену в отсутствие разделителя между слоями, увеличению сечения каналов.
Насадка устроена следующим образом. Насадка выполняется из гофрированных лент. Гофры в общем случае направлены под углом α к оси ленты. (Рис.1, 2, 3).
α - угол наклона гофр к оси ленты, β - угол намотки ленты (зависит от расстояния слоя от оси колонны и ширины ленты), γ - угол наклона гофр к оси колонны.
На осевой стержень (1) намотан 1-й цилиндрический слой из гофрированной ленты (2). (Рис.2). Края ленты (2) закреплены на стержне (1) одним из известных способов. На 1-й слой намотан 2-й (3). Края ленты 2-го слоя закреплены на 1-м. (В данном примере направление намотки 2-го слоя противоположно 1-му, в общем случае направления намотки предыдущего и последующего слоя могут совпадать, если это позволяет обеспечить необходимый угол наклона гофр к оси колонны). В изображенном на рис.2 примере 1-й слой намотан против часовой стрелки, 2-й слой намотан по часовой стрелке, 3-й слой(4) намотан против часовой стрелки.
Угол γ наклона гофр к оси колонны зависит от угла гофрирования ленты α и угла намотки ленты β.
Варьируя угол гофрирования и угол намотки (изменяя ширину ленты), для каждого слоя мы можем подобрать требуемый угол γ наклона каналов к оси колонны. На рис.3а, б приведены примеры намотки слоя для α=90 (гофры направлены перпендикулярно оси ленты) и α - 0 (гофры параллельны оси ленты). Угол у наклона гофр к оси колонны равен соответственно β и 90 - β.
Гофры каждого слоя направлены под углом к гофрам соседнего слоя, поэтому слои соприкасаются ребрами гофр. При намотке цилиндрических слоев гофрированные ленты в каждом слое могут либо примыкать вплотную виток к витку либо образовывать небольшие зазоры Δ. (5) для равномерного перераспределения потока пара в каналах граничащих слоев. Гофры соседних витков ленты в случае намотки без зазора не обязательно совпадают, т.е. каналы одного и того же слоя могут переходить друг в друга, при этом общая площадь сечения каналов одного слоя неизменна.
Намотка слоя может производиться сразу несколькими лентами. На рис.3 в приведен пример намотки слоя 3-мя лентами.
Сопротивление потоку пара каждого слоя зависит от кривизны и длины каналов и скорости потока пара. Углы наклона каналов к оси колонны подбираются из условия одинакового гидравлического сопротивления каждого цилиндрического слоя при эксплуатационном давлении и скорости потока пара в процессе ректификации.
Каналы образуют пространственную структуру, причем жидкость равномерно стекает по гофрированным поверхностям сверху вниз, перераспределяясь между каналами и слоями под действием капиллярных сил, а поток пара проходит по винтовым каналам, равномерно обтекая пленку жидкости по всему объему насадки. Количество слоев определяется диаметром колонны и выбранной высотой гофр.
Насадка технологична в изготовлении, т.к. колонны или царги колонн любого требуемого диаметра и длины наматываются из гофрированных лент относительно небольшой ширины.
Насадка по сравнению с прототипом менее материалоемка.
Результаты проведенных сравнительных испытаний предлагаемой насадки, прототипа по патенту RU и насадки Зульцера приведены в Прил. 1. Данные получены при разделении протия и дейтерия методом ректификации воды при давлении 0.2 атм и нагрузке 2000 кг/м2 час. По результатам испытаний эксплуатационные характеристики заявленной насадки превосходят как прототип, так и насадку Зульцера, причем Высота Эквивалентной Теоретической Ступени (ВЭТС) предлагаемой насадки в 2,7 раза меньше, чем насадки Зульцера.
Регулярная насадка для ректификационных колонн, состоящая из центрального стержня и цилиндрических слоев, намотанных из гофрированных перфорированных или сетчатых лент таким образом, что гофры лент соседних цилиндрических слоев направлены под углами друг к другу с образованием винтовых пересекающихся между собой каналов для прохода пара, причем угол наклона канала к оси колонны и высота гофр могут отличаться от слоя к слою.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
Результаты сравнительных испытаний регулярных насадок - прототипа, Зульцера и предлагаемой ленточно-винтовой при разделении дейтерия и трития методом ректификации воды при давлении 0.2 атм.
Прототип
Насадка Зульцера
Предлагаемая
Предельная пропускная способность (кг/м2 час.).
5450
5420
6520
ВЭТС (см) при нагрузке 2000 кг/м2 час.
10
24
9