НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам тепло-массообменных аппаратов и реакторов и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, энергетической, атомной, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических технологиях очистки дымовых газов, вентиляционных выбросов и сточных вод в процессах абсорбции, ректификации и экстракции.
Известные 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).
Недостатком данной насадки является небольшая площадь поверхности проволоки, свернутой в виде цилиндрической спирали, что приводит к малой скорости тепломассопереноса между жидкой и газовой (паровой) фазами и снижению производительности тепло-массообменных процессов.
Известна насадка для массообменных аппаратов, выполненная из проволочной спирали, каждый виток которой повернут относительно соседнего витка на некоторый угол, при этом витки спирали выполнены в виде эллипса с отношением большой оси к малой, равным 1,75÷2,5 (авторское свидетельство СССР №967533, B01D 53/20, 1982 г.).
Недостатком данной конструкции насадки является относительно малая поверхность витков проволочной спирали, из-за которой не обеспечивается необходимая поверхность тепломассопереноса между жидкой и газовой (паровой) фазами, что приводит к снижению производительности протекающих тепло-массообменных процессов.
Наиболее близким техническим решением, принятым 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 наружное тело вращения выполнено в виде спирали, образованной витой проволочной пружиной, а внутреннее тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, при этом отношение высоты полого цилиндра к его диаметру определяется из выражения
,
где h - высота полого цилиндра, м,
d - диаметр полого цилиндра, м,
δ - толщина стенки полого цилиндра, м,
с - скорость звука в газе (паре), м/с,
3
ρ - плотность материала, из которого выполнен полый цилиндр, кг/м,
α - жесткость витой проволочной пружины, Н/м (патент 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. Это обстоятельство будет препятствовать наступлению режима резонансных колебаний газового потока и пружинного маятника, образованного полыми цилиндрами с закрепленными на них пружинами, что приведет к снижению производительности протекающих тепло-массообменных процессов. Попытка же упорядоченной укладки элементов насадки с зазором приведет к уменьшению их количества в единице объема массообменного аппарата, что, в свою очередь, скажется на уменьшении площади поверхности насадки, необходимой для осуществления протекающих в нем тепло-массообменных процессов, т.е. приведет к снижению производительности протекающих тепло-массообменных процессов.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепло-массообменных процессов является увеличение производительности тепло-массообменных процессов за счет гарантированного сохранения режима резонансных колебаний.
Поставленный технический результат достигается тем, что насадка для тепло-массообменных процессов выполнена 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 жесткость проволочной пружины определяется из выражения
где α - жесткость витой проволочной пружины, Н/м,
m - масса полого цилиндра, кг,
с - скорость звука в газе (паре), м/с,
h - высота полого цилиндра, м.
Установка витой проволочной пружины внутри полого цилиндра, а также выполнение нижнего витка пружины горизонтальным с наружным диаметром, равным наружному диаметру полого цилиндра и расположенным под нижним его торцом, позволяет гарантированной сохранить режим резонансных колебаний каждого элемента насадки, что увеличивает скорость массопередачи и способствует возрастанию производительности протекающих тепло-массообменных процессов.
Кроме того, установка витой проволочной пружины внутри полого цилиндра позволяет уменьшить габариты каждого элемента насадки (при равенстве наружных диаметров полых цилиндров предлагаемой конструкции насадки и конструкции насадки, выбранной за прототип), что приведет к возможности разместить в единице объема массообменного аппарата большее число элементов насадки, т.е. скажется на увеличении площади поверхности насадки, необходимой для осуществления протекающих в нем тепло-массообменных процессов (удельной поверхности насадки). Это обстоятельство также увеличивает скорость массопередачи и способствует возрастанию производительности протекающих тепло-массообменных процессов.
На рисунке представлен общий вид насадки для тепло-массообменных процессов в разрезе.
B
H
Насадка для тепло-массообменных процессов состоит из соосно установленных и одно внутри другого на расстоянии друг от друга наружного тела вращения, выполненного в виде полого цилиндра 1 с внутренним диаметром d, и внутреннего тела вращения, образованного витой проволочной пружиной 2, с наружным диаметром D. Полый цилиндр 1 и витая проволочная пружина 2 жестко соединены между собой в верхней части с помощью неразъемного, например, заклепки 3 (показана на рисунке, сварки или пайки) или разъемного (например, винта с гайкой), соединения. Нижний виток 4 проволочной пружины 3 выполнен горизонтальным с наружным диаметром D, равным наружному диаметру D полого цилиндра с толщиной стенки δ, то есть
H
D=d+2δ,
при этом жесткость витой проволочной пружины определяется из выражения (1).
B
B
Насадка для тепло-массообменных процессов работает следующим образом. Насадку укладывают упорядоченно вертикально в ряды в массообменном аппарате, а так как нижний виток винтовой проволочной пружины 4 выполнен горизонтальным, то каждая насадка устанавливается в ряды без перекоса, что увеличивает число насадок по сечению и высоте аппарата. Сверху, на насадку подают поток жидкости, а снизу газ (пар). Оба потока - жидкий и газовый на поверхностях витой проволочной пружины 2 и полого цилиндра 1 взаимодействуют друг с другом с образование поверхности контакта фаз, на которой осуществляются тепло-массообменные процессы. Эти поверхности тем больше, чем больше наружный диаметр витка D витой проволочной пружины 2 приближается к внутренней поверхности полого цилиндра 1 с диаметром d. Но диаметр d должен быть больше D, чтобы боковая внутренняя поверхность полого цилиндра 1 не касалась наружной поверхности витков проволочной пружины 2. В этом случае полый цилиндр 1 имеет возможность свободно колебаться относительно проволочной пружины 2. Резонансный автоколебательный процесс полого цилиндра 1 на жестко закрепленной внутри него витой проволочной пружине 2 обеспечивается связью между физическими параметрами газа (пара), проволочной пружины 2 и полого цилиндра 1, определяемого из выражения (1).
Известно, что в полом цилиндре частота собственных колебаний газа (пара) описывается формулой
где ν - частота колебаний, 1/с (Гц),
с - скорость звука в газе (паре), м/с,
h - высота полого цилиндра (Яворский В.М, Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - с. 510).
Частота колебаний физического маятника, состоящего из витой цилиндрической пружины с подвешенной на ней массой, определяется формулой
M
где ν - частота колебаний физического маятника, 1/с (Гц),
α - жесткость витой проволочной пружины, Н/м,
m - масса на пружине, кг (Яворский В.М, Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. - с. 510).
Приравнивая правые части формул (2) и (3), после алгебраических преобразований получаем выражение (1), обеспечивающего равенство частот колебаний газа (пара) в полом цилиндре 1 и витой цилиндрической пружине 2.
Пример 1. Пусть масса полого цилиндра 1 m=0,075 кг, скорость звука воздуха, очищаемого в абсорбционной колонне с предлагаемой насадкой с=330 м/с, а высота полого цилиндра 1 h=0,05 м.
По выражению (1)
.
Тогда частота колебаний воздуха внутри полого цилиндра 1 согласно уравнению (2) составит
,
а частота колебаний массы полого цилиндра, как физического маятника, согласно уравнению (3) составит
,
то есть выражение (1) для жесткости витой цилиндрической пружины 2 обеспечивает резонансный режим колебаний полого цилиндра 1 с высокой амплитудой и частотой поверхности.
Пример 2. Сравним объемы предлагаемой конструкции насадки для тепло-массообменных процессов с конструкцией насадки по прототипу. Выбираем в качестве полого цилиндра 1 кольцо Рашига 50×50×2 мм, то есть полый цилиндр, у которого высота равна h=0,05 м, наружный диаметр равен D=0,05 м, толщина стенки равна δ=0,002 м.
Тогда суммарная площадь внутренней и внешней поверхности полого цилиндра 1, на которых осуществляются тепло-массообменные процессы, описывается формулой
1
-2
2
S=π⋅(2⋅D-δ)⋅h=3,14⋅(2⋅0,05-0,002)⋅0,05=1,54⋅10 м.
Общая высота, с учетом высоты самого полого цилиндра 1 и высоты нижнего витка 4 проволочной пружины 2 под нижним торцом полого цилиндра Δh=0,009 м (это величина из примера в тексте прототипа), будет определяться в виде
-2
H=h+Δh=0,05+0,009=5,9⋅10 м.
n
Так как толщина проволоки d, из которой сделана проволочная пружина 2, и зазор между витками равны
n
n
-3
d=δ=3⋅10 м,
то, принимая диаметр витка проволочной пружины на 0,004 м меньше внутреннего диаметра полого цилиндра 1, получаем формулу для этого внешнего диаметра витка
B
-2
D=D-2⋅δ-0,004=0,05-2⋅0,002-0,004=4,2⋅10 м.
Число витков проволочной цилиндрической пружины 2, образованных ею на высоте Н, будет равна
Тогда длина проволоки цилиндрической пружины 2 равна
n
B
n
B
l=π⋅(D-d)⋅n=3,14⋅(0,042-0,003)⋅10=1,225 м,
а площадь боковой поверхности, на которой осуществляются тепло-массообменные процессы, равна
2
n
n
-2
2
S=π⋅d⋅l=3,14⋅0,003⋅1,225=1,15⋅10 м.
Общая площадь поверхности полого цилиндра 1 и проволоки цилиндрической пружины 2, на которых осуществляются тепло-массообменные процессы,
1
2
-2
-2
2
S=S+S=(1,54+1,15)⋅10=2,69⋅10 м.
Объем, занимаемый предлагаемой насадкой V, включает наружный объем кольца Рашига плюс объем, занимаемый нижним витком 4 проволочной пружины с высотой, равной Δh=0,9 см (этот размер взят из примера, приведенного в прототипе), то есть
.
Удельная поверхность предлагаемой насадки равна
.
Общая площадь боковых поверхностей полого цилиндра 1 и проволочной цилиндрической пружины 2 приведены в примере, описывающем насадку для тепло-массообменных процессов, которая выбрана за прототип, и равна
II
П1
П2
-2
-2
2
S=S+S=(3,20+2,89)⋅10=6,09⋅10 м.
П
Рассчитаем объем, занимаемой насадкой, выбранной за прототип. Ее высота также приводится в примере и составляет Н=0,11 м. Площадь сечения можно рассчитать по формуле
.
Тогда объем, занимаемый одной насадной и выбранной за прототип, составляет
II
II
II
-3
-4
3
V=Н⋅F=0,11⋅3,42⋅10=3,76⋅10 м,
а удельная поверхность-
.
2
3
2
3
П
Сравнение удельных поверхностей предлагаемой насадки σ=232 м/м и насадки, выбранной за прототип σ=162 м/м, показывает, что предлагаемая насадка для тепло-массобменных процессов имеет на 43% этот параметр больше, чем у прототипа.
Таким образом, предлагаемая конструкция насадки для тепло-массообменных процессов обеспечивает при условии жесткости витой цилиндрической пружины 2, соответствующего выражению (1), резонансный режим колебаний пустотелого цилиндра 2 с газом (паром), движущимся внутри колонны, а установка нижнего витка проволочной пружины 2 горизонтальным с наружным диаметром, равным наружному диаметру полого цилиндра и его расположением под нижним торцом полого цилиндра 1 позволяет уменьшить объем, занимаемый каждой насадкой, а, значит увеличить число насадок, устанавливаемых упорядоченного в ряды по сечению аппарата и по его высоте, существенно увеличить поверхность, на которой осуществляются тепло-массообменные процессы, что, в свою очередь, позволяет повысить производительность этих процессов.