Массообменный аппарат

Предлагаемое техническое решение относится к массообменным аппаратам с листовой насадкой и может найти применение при проведении процессов ректификации, абсорбции, экстракции в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газовой, пищевой, фармацевтической, энергетической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах разделения растворов и газов.
Известны массообменные аппараты с листовой насадкой, в которых размешены вертикальные листы из различных материалов (металл, пластмасса, натянутые на каркас ткань, пленка и т.п.). Для равномерного смачивания листовой насадки с обеих сторон используют распределительные устройства в виде конических лотков с прорезями, которые обеспечивают высокую равномерность орошения по  периметру листов насадки, образуя жидкостные пленки по обеим сторонам листовой насадки (Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Учебник. Книга вторая / В.Г. Анштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носков и др. : Под редакцией В.Г. Анштейна. М. : Логос : Высшая школа, 2002, с. 914).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата  относится сложность и длительность удаления загрязнений (термических отложений, сажи, накипи, осмоления и др.) с поверхности  листов, что уменьшает рабочий режим работы и производительность  массообменной колонны. Кроме того, неподвижные листы насадки создают постоянный ламинарный пограничный слой пленки жидкости, снижающий скорость массопереноса между газовой и жидкой фазами, что также приводит к снижению общей производительности.
Известна массообменная колонна, включающая вертикальный аппарат круглого сечения, внутри которого поярусно установлены перфорированные решетки, на которых расположена слоями насадка, отличающаяся тем, что перфорированные решетки установлены наклонно под острым углом к горизонтали поочередно в диаметрально противоположные стороны, перфорации решеток выполнены в виде арочных прорезей выпуклостью вверх с осями, направленными в сторону наклона решеток, перфорированные решетки установлены на распорные эллиптические разрезные кольца, к концам которых прикреплены упорные пластины, к одной из которых прикреплен упорный винт, проходящий свободно в отверстие другой пластины, по обе стороны которой на упорный винт навинчены гайки так, что гайка между упорными пластинами навинчена до упора в пластину и распорное эллиптическое кольцо плотно прижато к внутренним стенкам колонны, ось упорного винта распорного эллиптического кольца смещена внутрь окружности распорного кольца и вниз относительно плоскости распорного кольца (Пат.  № 2050912, B01D 3/22, 1995 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная скорость тепло- и массообменных процессов из-за постоянства локальных скоростей жидких и газовых потоков (сплошной и дисперсной фаз) между перфорированными решетками, установленными наклонно под острым углом, что снижает общую производительность.
Известен абсорбер, представляющий собой колонну с насадкой в виде вертикальных пластин, в верхней части которой находятся распределяющие жидкость устройства, равномерно орошающие каждую пластину с обеих сторон, в нижней части колонны установлен коллектор для равномерного подвода газа на каждую пластину, состоящий из труб, установленных вдоль нижнего торца каждой пластины с равномерно герметично закрепленными по длине этих труб акустическими резонаторами с отверстиями, направленными на торцы пластин, на которых соосно с отверстиями горизонтально установлены диски, а верхние края пластин подвешены на цилиндрических пружинах, закрепленных в верхней части колонны  (П. м. №  168 134, B01D 53/14, 2016 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что поток газа равномерно орошает листовую насадку только в нижней части массообменной колонны, из-за чего будет формироваться низкая скорость тепло- и массообменных процессов между скоростей жидких и газовых потоков, что будет вызывать снижение производительности.
Известен аппарат для взаимодействия жидкостей различной плотности, в частности, для экстракции жидкостей, содержащий колонну с закрытым пространством, впускные трубопроводы для подвода жидкости высокой плотности в верхнюю часть колонны и подвода жидкости низкой плотности в нижнюю часть колонны, выпускные трубопроводы для отвода жидкости высокой плотности из нижней части колонны и отвода жидкости низкой плотности из верхней части колонны, механизм контроля уровня жидкости, соединенный с выпускным трубопроводом для отвода жидкости высокой плотности, диспергирующе-смешивающие диски, расположенные в колонне ниже и выше один другого и разделяющие колонну на отсеки, и пульсатор, соединенный с нижней частью колонны, отличающийся тем, что диспергирующе-смешивающие диски состоят из по меньшей мере двух частей, отделенных одна от другой по пилообразной линии с образованием зазора, при этом одна часть дисков жесткая, а другая эластичная и имеет язычки, расположенные между выступами жесткой части и установленные с возможностью вибрации относительно плоскости дисков (Пат.  № 2 033 839, B01D 11/04, 1995 г.).
К причине, препятствующей достижению заданного технического результата, относится малая площадь создания поверхности контакта фаз, образованная диспергирующе-смешивающие дисками, из-за чего происходит недостаточный массоперенос, что снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является   массообменные аппараты с насадкой и пульсатором: поршневым, мембранным или сильфонным, герметично присоединенного к боковой поверхности стенки корпуса. Например, экстракционная колонна с насадкой КРИМЗ состоит из трех частей: верхней и нижней отстойной зонами и представляющей собой тарелки на 2-10 мм меньше диаметра колонны, на которых находятся прямоугольные отверстия с направляющими лопатками по обеим сторонам тарелки. Тарелки закреплены на проходящих внутри колонны стержнях. Колебания в жидкой фазе создаются пневматическим пульсатором. (Ю.Н. Шаповалов, В.С. Шеин. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. - Воронеж: издательство ВТУ, 1981, с. 157-160; А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия 1971, с. 573-574).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность и длительность удаления отложений с обеих поверхностей  насадки,  часто приводящая к необходимости их вынимания из колонны и обработки поверхностей пескоструйным способом, вибрацией или химическим травлением. Это увеличивает время работы подготовки к основному циклу работы массообменной колонны и снижению как следствие общей производительности, а также неподвижность самих поверхностей насадки.
Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменной колонны является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что массообменный аппарат, включающий корпус, поршневой пульсатор, герметично присоединенный к боковой поверхности стенки корпуса, распределительную тарелку и насадки, каждая из которых выполнена в виде рамы с параллельно натянутыми на ней струнами, нижние концы которых закреплены на нижней перекладине рамы, а верхние закреплены на установленной на верхней перекладине рамы катушке с шестигранной головкой и натянуты на ней с силой, определяемой по выражению:
(1)
где    – общая сила натяжения струн на катушке, Н;
– постоянная Архимеда;
– количество струн;
3
– плотность материала струн, кг/м;
– частота пульсации газа (пара), Гц;
– длина струн, м;
– диаметр струн, м.
Выполнение насадки в виде рамы с параллельно натянутыми на ней струнами, обеспечивает жесткость конструкции самой насадки без деформации под действием силы натяжения струн, сохраняя постоянство их напряженного состояния в раме, из-за чего конструкцию легко демонтировать, чтобы провести очистку, что способствует увеличению производительности.
Установка катушки с шестигранной головкой на верхней перекладине рамы с параллельно натянутыми на ней струнами, нижние концы которых закреплены на нижней перекладине рамы, а верхние закреплены на установленной на верхней перекладине рамы катушке с шестигранной головкой и натянуты на ней с силой, определяемой по выражению (1), обеспечивающей частоту собственных колебаний каждой струны равной частоте пульсаций газа (пара), что позволяет создавать в струнах резонансный режим колебаний с высокой амплитудой. Это предотвращает накопление отложений (термической деструкции, сажи, накипи, осмоления, солевого камня и др.), а сама вибрация с высокой амплитудой разрушает пограничные слои тепло- и массоотдачи, обеспечивая интенсификацию процессов тепло- и массообмена между фазами, что способствует росту производительности.
Известно, что собственная частота колебаний  натянутой струны связана с силой натяжения выражением (Г.С. Лансберг, Колебания и волны. Том III. Оптика. Атомная и ядерная физика. Издание 10-е, пер.  М. : Наука, 1986 , с. 127):
,                                              (2)
f
где  – сила натяжения одной струны, Н.
При равенстве частоты  вынужденных колебаний  равной частоте собственных колебаний струны :
,                                                        (3)
и общей силы натяжения всех струн в раме насадки пропорциональной числу струн :
(4)
получаем после алгебраических преобразований с учетом уравнений (2÷4) уравнение (1).
На фиг. 1 изображен общий вид в разрезе предлагаемой конструкции массообменного аппарата с насадкой в виде рамы, на которой натянуты струны параллельно друг другу, на фиг.2 показана отдельно рама со струнами, натянутыми на катушку с шестигранной головкой.
F
l
Массообменный аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1 с крышкой 2 и днищем 3. Крышка 2 снабжена патрубком 4 для выхода газа (пара) и патрубком 5 для подачи жидкости, а днище 3 снабжено патрубком 6 для отвода жидкости и патрубком 7 для подачи пара (газа) в пульсационном режиме с частотой от пульсатора (на фиг. не показан). На внутренней стороне крышки 2 закреплена распределительная тарелка 8 для равномерного распределения жидкости на поверхности насадки. Внутри цилиндрического корпуса 1 вертикально установлены параллельно друг другу в ряд насадки, выполненные в виде рам 9. На верхней перекладине каждой рамы 9 закреплена катушка 10, имеющая на одном конце шестигранную головку 11 под динамометрический ключ. На катушке 10 каждой рамы 9 закреплены верхние концы параллельно натянутых с силой , определяемой выражением (1), струны 12 длиной , нижний конец которых  закреплен на нижней перекладине 13 рамы 9.
Подготовка массообменного аппарата к работе осуществляется следующим образом.
Вращая динамометрическим ключом шестигранную головку 11 катушки 10, натягивают струны с силой F, определяемой выражением (1). Затем рамы 9 закрепляют вертикально внутри цилиндрического корпуса 1 параллельно друг другу. На цилиндрическом корпусе 1 герметично закрепляют крышку 2.
Массообменный аппарат работает следующим образом.
По патрубку 5 в крышке 2 на распределительную тарелку 8, подают жидкость, а затем в пульсирующем режиме с частотой , обеспечиваемой пульсатором,  по патрубку 7 подают газ (пар). Так как частота вынужденных колебаний , передаваемых с газом (паром) внутрь цилиндрического корпуса 1, совпадает с частотой собственных колебаний струн 12, то последние совершают колебания в резонансном режиме с большой амплитудой, которая разрушает пограничный слой стекающей по струнам 12 жидкости и интенсифицирует тепломассообменные процессы на поверхности  резонирующих струн 12. Это способствует росту производительности. Кроме того, высокая амплитуда колебаний струн 12 в резонансном режиме с частотой  предотвращает закрепление термических и химических отложений, продуктов деструкции (накипи, сажи, соленого камня, ржавчины и др.), что уменьшает время подготовки массообменной колонны к новому рабочему циклу, увеличивает основное время работы и также способствует росту производительности.
Пример.
F
Определим необходимую силу натяжения  струн 12 в раме 9, натягивая их на катушки 10 при вращении ее шестигранной головки 11 динамометрическим ключом.
d
l
N
3
Струны имеют толщину =0,00025 м  и длину=4 м, изготовлены из стали с плотностью ρ=8000 кг/м. Число струн 12 в раме 9 составляет =100, а частота пульсаций =10 Гц.
Тогда по уравнению (1) общая сила натяжения:
Н или 25,5 кг.
3
Если изготавливать струны 12 из полиуретановых волокон плотностью ρ=1000 кг/м, тогда общая сила натяжения F всех 100 волокон с диаметром 1 мм составит:
Н или 51,5 кг.
Задана частота пульсаций газа (пара), поступающего из пульсатора в колонну по патрубку 7 =10 Гц.
N
Определим собственную частоту колебаний каждой струны 12 в раме 9. Усилие натяжения каждой из =100 струн:
для стальных струн:
,
для полиуретановых струн (спандекс):
.
Тогда по уравнению (2):
для стальных струн:
,
для полиуретановых струн (спандекс):
.
l
d
ρ
ρ
d
3
3
Таким образом, при общей силе натяжения 100 стальных струн 12 в раме 9 длиной =4 м каждая с диаметром =0,25 мм, плотности стали =8000 кг/м собственная частота колебаний каждой струны будет равна =10 Гц, то есть совпадать с вынужденной частотой колебаний газа (пара), подаваемого по патрубку 7 в массообменную колонну от пульсатора. Такую же собственную частоту колебаний=10 Гц будут иметь 100 струн 12, выполненные из полиуретановых волокон типа спандекс, имеющих плотность =1000 кг/м и диаметр =1 мм, то есть в обоих случаях струны 12 будут совершать колебания в резонансном режиме с большой амплитудой, интенсифицирующей тепломассообменные процессы, предупреждающие образование отложений на их поверхности, а значит способствовать росту производительности.