Способ загрузки кольцевых насадок в колонные аппараты
METHOD OF LOADING ANNULAR NOZZLES INTO COLUMN APPARATUSES

Изобретение относится к способам осуществления процессов тепло- и массообмена в насадочных колонных аппаратах химической технологии.
Известен способ регулярной загрузки кольцевой насадки в колонных аппаратах, заключающийся в том, что кольцевую насадку располагают горизонтальными рядами по концентрическим окружностям со смещением колец каждого последующего ряда по отношению к предыдущему (Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. М.: Химия, 2002, 367 с.)
Недостатком известного способа регулярной укладки кольцевой насадки является определенное снижение эффективности осуществляемого процесса из-за уменьшения активной поверхности вследствие образования линзообразных застойных зон жидкой фазы в местах контакта поверхности соседних элементов кольцевой насадки друг с другом в каждом из рядов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ регулярной укладки кольцевой насадки в контактных аппаратах (RU 2010108213 А МПК B01J 19/32) с расположением ее горизонтальными рядами по концентрическим окружностям со смещением колец в соседних по высоте рядах, равным:
S=(d+b)/2,
где b, мм - величина зазора между соседними элементами насадки в рядах, d, мм - наружный диаметр элементов кольцевой насадки.
при этом элементы регулярной насадки уложены с зазором друг относительно друга, равным:
b=2δ+с,
где δ - толщина пленки жидкости, гравитационно стекающей по насадке; b=3÷4 мм.
Недостатком известного способа регулярной укладки кольцевой насадки является большая чувствительность любой регулярной насадки к исходной равномерности распределения взаимодействующих потоков на входе в слой насадки [см. Дмитриева Г.Б. и др. Эффективные конструкции структурированных насадок для процессов тепломассообмена «Химическое и нефтегазовое машиностроение», 2005. №8], что в ряде случаев снижает эффективность осуществления процессов тепло- и массообмена в колонных аппаратах с насадкой.
Задача изобретения - увеличение эффективности процессов тепло- и массообмена за счет послойного расположения регулярно уложенной и насыпной насадки в колонном аппарате.
Указанная задача достигается тем, что регулярная насадка в колонном аппарате укладывается послойно в чередовании со слоями насыпной насадки, причем высота слоев регулярно уложенной и насыпной насадок составляет величину:
e
H=A×d,
e
где А=2÷8, d, м - эквивалентный диаметр канала, равный:
e
d=4ε/a,
3
3
2
3
где ε - порозность слоя насадки, м/м, а - удельная поверхность насадки, м/м.
при этом величина ε в соседних по высоте слоях регулярно уложенной насадки и насыпной насадки находится в пределах от 0,67 до 0,985.
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Заявляемый способ загрузки кольцевых насадок в колонные аппараты поясняется схемой и графиками. На фиг. 1 показана схема послойной загрузки кольцевой насадки различного типа в абсорбер, например, очистки отходящих газов производства аммиака от СО. Там же показана изменение основных геометрических параметров используемых типов насадки по ее отдельным слоям при загрузке в колонный аппарат по заявленному способу, а также эпюра трансформации величины скоростей W, W потери напора ΔP и ΔР по соответствующим слоям насадки по высоте аппарата. На фиг. 2 показана полученная авторами, аналитическим путем, графическая зависимость изменения относительной скорости газового потока по высоте колонного аппарата со слоями с различной порозностью (W/W)=ƒ(ε/ε). Здесь индексы 1 и 2 относятся к различным типам слоев насадки, а именно: 1 - насыпной слой насадки, 2 - регулярно уложенный слой насадки (см. фиг. 1).
На фиг. 3 показана графическая зависимость ожидаемого увеличения эффективности процесса - ΔЕ, % от величины соотношения скоростей газового потока в слоях насадки с различной порозностью.
Предлагаемый способ позволяет увеличить эффективность осуществляемого технологического процесса до 12% за счет чередования слоев насыпной - 1 и регулярно уложенной - 2 насадки, высота которых составляет:
H=A×de,
e
где А=2⋅8, d, м - эквивалентный диаметр канала, равный:
e
d=4ε/a,
3
3
2
3
где ε - порозность слоя насадки, м/м, а - удельная поверхность соответствующего слоя насадки, м/м.
при этом величина ε в соседних по высоте слоях регулярно уложенной насадки и насыпной насадки находится в пределах от 0,67 до 0,985. Чередование соседних слоев насыпной и регулярно уложенной кольцевой насадки обеспечивает эффективный пульсирующий режим течения газового потока G и жидкой фазы L по всей высоте колонного аппарата с насадкой (см. фиг. 1).
Примеры осуществления заявляемого способа загрузки кольцевых насадок в колонные аппараты.
Геометрические характеристики использованных насадок содержатся в таблице 1.
e
e
e
1
2
1
2
1
2
Пример №1. Насадка в виде керамических колец Рашига размером 50×50×5,0 мм укладывается в колонный аппарат чередующимися слоями регулярно уложенной и насыпной насадки внавал. Высота отдельных слоев составляет - у регулярной насадки H=3d, а у насыпной H=4,5d. Здесь d=4ε/а. Величина порозности слоев этой насадки, уложенной, соответственно, внавал и регулярно, (см. таблицу 1) составляла: ε=0,785 ε=0,735. Величина отношения (ε/ε)=1,068. Из графика на фиг. 2 видно, что в этом случае: (W/W)=1,34.
Регулярно уложенная кольцевая насадка, как видно из данных таблицы 1, имеет меньшее живое сечение и меньшую величину порозности по сравнению с насыпной насадкой, загруженной в аппарат внавал, что обеспечивает большую величину локальных скоростей в слоях регулярной насадки. Из-за различного живого сечения, следовательно, и различного гидравлического сопротивления слоев насадки с регулярной и насыпной насадками - скорости движения газового потока в этих слоях насадки, будут различными. При этом само движение газового потока по высоте колонного аппарата с насадкой будет пульсирующим. Следствием пульсирующего режима течения газовой фазы в аппарате является увеличение эффективности процессов тепло- и массообмена на 7,6% (см. график на фиг. 3).
Пример №2. Насадка в виде металлических миниколец типа MICHM-X-2R2 размером 75×15×1,0 мм укладывается в колонный аппарат регулярными слоями, чередующимися со слоями насадки типа SMR размером 75×22,5×1,0 мм, загруженной в виде насыпной насадки внавал.
Характеристики насадок:
2
3
e
MICHM-X-2R2 - удельная поверхность а = 85,4 м/м; эквивалентный диаметр канала - d = 0,044285 м;
2
3
e
SMR - a = 88 м/м; d = 0,044318 м.
Высота отдельных слоев насадки составляла:
e
у регулярно уложенного слоя насадки - Н = 2d = 0,0886 м;
e
у насыпного слоя насадки - Н = 7d = 0,31 м.
Величина порозности при этом составляла (см. таблицу 1):
2
3
3
у регулярно уложенного слоя насадки - ε=0,94548 м/м;
1
3
3
у насыпного слоя насадки - ε=0,975 м/м.
1
2
1
2
Величина отношения (ε/ε)=1,031. Из графика на фиг. 2 следует, что в этом случае соотношение скоростей газового потока в соседних слоях насадки в колонном аппарате составляло (см. график на фиг. 2): (W/W)=1,155.
Таким образом в колонном аппарате с чередующимися слоями насадки обеспечивается пульсирующий режим течения что, в свою очередь, обеспечивает интенсификацию процессов тепло - и массообмена в колонном аппарате на 4,9% (см. график на фиг. 3).
Пример №3. Насадка в виде керамических колец Палля размером 50×50 мм укладывается в колонный аппарат регулярными слоями, чередующимися со слоями насадки типа MICHM-X-31 размером 75×25×1,0 мм, загруженной в виде насыпной насадки внавал.
Геометрические характеристики насадок:
2
3
e
кольца Палля - удельная поверхность а = 153,1 м/м; эквивалентный диаметр канала - d = 0,0205 м;
2
3
e
кольца MICHM-X-31 - а = 79 м/м; d = 0,0488 м.
Высота соответствующих слоев насадки в аппарате составляла:
e
у регулярно уложенного слоя насадки - Н = 2,3d = 0,04715 м;
e
у насыпного слоя насадки - Н = 6,5d = 0,3172 м.
Величина порозности при этом по отдельным слоям насадки в аппарате составляла (см. таблицу 1):
2
3
3
у регулярно уложенного слоя насадки - ε=0,784 м/м;
1
3
3
у насыпного слоя насадки - ε=0,9639 м/м.
1
2
1
2
Величина отношения (ε/ε)=1,229. В этом случае соотношение скоростей о отдельным слоям насадки составляет (см. график на фиг. 2): (W/W)=2,145.
Использованная в данном случае комбинация слоев насыпной и регулярной насадок обеспечивала наибольшую интенсификацию процессов тепло - и массообмена в колонном аппарате. При этом величина ΔЕ=12,6% (см. график на фиг. 3).
Пример №4. Насадка в виде чередующихся слоев регулярно уложенной кольцевой насадки в виде колец Рашига и насыпной насадки в виде колец Мебиуса. Кольца Рашига размером 25×25×3,0 мм уложены регулярно с расположением их горизонтальными рядами по концентрическим окружностям со смещением колец каждого последующего ряда по отношению к предыдущему, отличающийся тем, что каждый элемент насадки в нижележащем слое в одной концентрической окружности по отношению к каждому элементу насадки в вышележащем слое расположен со смещением. Кольца Мебиуса с размерами элемента насадки 50×15×0,5 мм уложены внавал. Геометрические характеристики этих насадок приведены в таблице 2.
Сочетание чередующихся слоев регулярной и насыпной насадки в виде колец Мебиуса, обладающих свойством самоориентации, обеспечивает пульсирующий режим течения в колонном аппарате за счет различной величины живого сечения слоя насадки численно равна величине ее порозности (доли пустот).
Использование чередующихся слоев регулярно уложенной насадки в виде колец Рашига и насыпной насадки, выполненной в виде колец Мебиуса, обеспечивает высокую эффективность технологического процесса при одновременно низком гидравлическом сопротивлении, что делает предлагаемый способ укладки наиболее энергоэффективным.