НАСАДОЧНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
PACKED COLUMN FOR MASS EXCHANGE PROCESSES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к конструкциям насадочных аппаратов, применяемых для проведения массообменных процессов в системе газ (пар) - жидкость, таких как процесс ректификации, абсорбции, десорбции, очистки и осушки природного газа, а также изобретение может найти применение в технологических процессах химической, нефтяной, газовой и других отраслей промышленности.
Уровень техники
В научной статье «Гидравлические характеристики лопастной плавающей насадки» (журнал «Химическая промышленность», №7, 1980 год, стр.49-50, автор Шерстобитов В.В. и др.) описана конструкция лопастной плавающей насадки, предназначенной для аппаратов с псевдоожиженным слоем орошаемой насадки. Важная особенность лопастных насадок - равенство площадей фронтальной и горизонтальной проекции. Достоинством данного типа насадок является высокая эффективность перемешивания в газовой и жидкой фазах, а также развитая поверхность контакта фаз.
Общим с предлагаемой конструкцией является подвижность элементов насадки.
Недостатком насадочных аппаратов данной конструкции является узкий диапазон скоростей газа, при которых насадка работает устойчиво, не находясь в псевдоожиженном состоянии.
В патенте №2289472 описана насадка, выполненная в виде тора, изготовленного из цилиндрического элемента, выполненного из синтетических нитей путем его сворачивания с одного или двух концов. При использовании этой насадки газожидкостный слой равномерно распределяется в рабочем объеме псевдоожиженного слоя насадки, при этом интенсифицируется процесс массообмена.
Общим с предлагаемой конструкцией является подвижность элементов насадки.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
В патенте №96117802 описана плавающая насадка шарообразной формы из полимерных материалов с плотностью, близкой к плотности воды, при этом колонна секционирована распределительными решетками.
Достоинством данного типа насадок является высокая эффективность перемешивания в газовой и жидкой фазах, а также развитая поверхность контакта фаз.
Общим с предлагаемой конструкцией является подвижность элементов насадки.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Наиболее близкой (прототип) к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является регулярная насадка, описанная в патенте №2035991. Сущность данного изобретения состоит в следующем: в насадочной колонне корпус выполнен в виде пучка трубок, а насадка - в виде звеньев спиралей, сплетенных в цепь. Это конструктивное решение позволило увеличить эффективность процесса и производительность колонны, одновременно уменьшить ее размеры за счет создания более развитой поверхности контакта газа и жидкости, интенсивности турбулизации и обновления поверхности контакта фаз. Конструктивное выполнение корпуса в виде пучка трубок позволяет значительно увеличить площадь соприкосновения взаимодействующих фаз. Насадка обладает большим коэффициентом смачиваемости и площадью контакта фаз. При подаче газа (пара) через слой насадки газ омывает кольца цепи по поверхности проволоки, при этом увеличивается активная поверхность контакта фаз.
Газовый поток, рассекаясь насадкой, завихряется, образуя интенсивный турбулентный поток, при этом снижается гидравлическое сопротивление колонны и увеличивается омываемая реагентом поверхность колец. Процесс турбулизации возрастает в несколько раз, что позволяет уменьшить высоту колонны.
Общим с предлагаемой конструкцией насадки является наличие цепей, состоящих из отдельных звеньев и подвешенных вертикально.
Конструкция данной насадки не позволяет в полной мере обеспечить эффективность тепло- и массообменных процессов вследствие неравномерного распределения потоков по сечению аппарата.
Задачей изобретения является создание новой высокоэффективной регулярной насадки для проведения массообменных процессов.
Технический результат
Технический результат изобретения заключается в:
- повышении эффективности работы насадки и интенсивности процесса массообмена в насадочном аппарате,
- уменьшении габаритных размеров аппарата и, как следствие, сокращении капитальных затрат на его изготовление,
- обеспечении устойчивой работы аппарата в широком диапазоне изменения скоростей газа (0-3,5 м/с).
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Аппарат с цепной насадкой для тепло- и массообменных процессов.
Фиг.2. Параметры круглозвенной цепи.
Фиг.3. Схема потоков жидкости и газа на цепной насадке.
В фиг.1 приводится конструкция аппарата с цепной насадкой для массообменных процессов. На фиг.2 приведены несколько звеньев круглозвенной цепи и обозначены их основные геометрические параметры. На фиг.3 приводится схема движения газа и жидкости по насадке.
Раскрытие изобретения
Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации цепной насадки, предназначенной для проведения массообмена, состоящей из множества сварных круглозвенных цепей, подвешенных вертикально, параллельно друг другу, достигают за счет того, что цепи подвешены свободно, без жесткой фиксации и без натяжения, расстояние между звеньями соседних цепей равно диаметру прутка, из которого изготовлена цепь, звенья цепи вытянутой овальной формы, соседние звенья одной цепи расположены перпендикулярно друг другу (фиг.1). Основными характеристиками данной насадки являются диаметр прутка d, ширина звена цепи а, длина звена цепи Н и расстояние между цепями (фиг.2). Под воздействием потока газа, движущегося снизу вверх, цепи приходят в колебательное движение, периодически касаясь друг друга, что приводит к перемешиванию в стекающей пленке жидкости и увеличению эффективности и интенсивности массообмена. Для интенсификации движения цепей в верхней и нижней части аппарата устанавливается электромагнитное колебательное устройство 2, приводящее цепи 1 в колебательное движение.
Сопоставительный анализ прототипа и заявленного изобретения показывает, что общим конструктивным признаком являются вертикально, свободно подвешенные цепи, состоящие из отдельных звеньев.
Отличительной особенностью заявленного изобретения является то, что насадка состоит из множества круглозвенных цепей 1, параллельных друг другу, звенья которых имеют вытянутую овальную форму. Между соседними цепями поддерживается расстояние, равное диаметру прутка. Звенья соседних цепей способны соприкасаться между собой в результате колебательного движения цепей. Цепи приводятся в колебательное движение за счет потока газа или за счет специального электромагнитного колебательного устройства 2, устанавливаемого в верхней и нижней части аппарата и приводящего цепи в колебательное движение. Отличительной особенностью насадки является также то, что в отличие от известных неподвижных насадок и известных подвижных насадок цепная насадка обладает ограниченной подвижностью, при этом звенья цепи могут перемещаться в горизонтальном направлении на расстояние, равное расстоянию между соседними цепями, т.е. диаметру прутка, из которого изготовлена цепь.
Сущность конструкции предлагаемого насадочного аппарата с цепной насадкой, предназначенного для десорбции газа из жидкости (насыщенного абсорбента), иллюстрируется чертежом (фиг.1). В корпусе аппарата 3 размещены круглозвенные цепи 1, которые вертикально свободно подвешиваются. Цепи присоединяются нижним и верхним концом к решетке 5. Звенья цепей имеют вытянутую овальную форму (фиг.2). Соседние звенья одной цепи расположены перпендикулярно друг другу. Основными характеристиками данной насадки являются диаметр прутка d, длина звена цепи Н, ширина звена цепи а и расстояние между параллельными цепями. Между соседними цепями поддерживается расстояние, равное диаметру прутка. Звенья соседних цепей способны соприкасаться между собой в результате колебательного движения цепей. Цепи приводятся в колебательное движение за счет потока газа или за счет специального электромагнитного колебательного устройства 2, устанавливаемого в верхней и нижней части аппарата и приводящего цепи в колебательное движение. Колебательное движение передается от электромагнитного колебательного устройства 2 через якорь 6 и гибкое крепление насадки 4 к решетке 5. Решетка 5 приводит в движение цепи 1. Жидкость (насыщенный абсорбент) через штуцер 8 поступает в распределительное устройство 7 и распределяется по цепям. Очищенный абсорбент выходит из низа аппарата через штуцер 9. Выделившийся из жидкости (абсорбента) газ выходит из аппарата через штуцер 10.
Для снижения металлоемкости насадки и увеличения удельной поверхности насадки звенья цепей можно изготавливать также из плоских узких лент.
Жидкость стекает пленкой сверху вниз по звеньям цепи. Возможно образование натянутой пленки жидкости внутри звена цепи. Такая пленка с двух сторон соприкасается с потоком газа, что приводит к увеличению поверхности массообмена и, как следствие, к увеличению эффективности и интенсивности массообмена. Это, в свою очередь, приведет к снижению габаритных размеров аппарата и к сокращению капитальных затрат на его изготовление.
Газ поднимается снизу вверх по криволинейным каналам, образованным цепями. Поперечное сечение каналов по высоте изменяется, и поэтому в местах сужений потока формируются повышенные скорости газа и, как следствие, в таких областях формируется пониженное давление. В результате это приводит к периодическому движению звеньев цепи, стремящихся в область пониженного давления. На фиг.3 область пониженного давления показана точкой 11. Вследствие этого цепь приобретает колебательное движение, что интенсифицирует массообмен.
Целесообразно установить такой режим колебаний цепей, чтобы за время движения жидкости по поверхности одного звена цепи τ произошло хотя бы одно соприкосновение со звеном соседней цепи. В этом случае будет обеспечено дополнительное перемешивание жидкости в пленке и обновление поверхности пленки, что приведет к возрастанию скорости массообмена. Поэтому в верхней и нижней части аппарата устанавливается электромагнитное колебательное устройство, задающее определенную частоту и амплитуду колебаний вертикальных, свободно подвешенных цепей. Амплитуда колебаний цепей равна расстоянию между цепями - диаметру прутка, из которого изготовлена цепь. Время движения пленки жидкости вдоль одного звена цепи составляет в среднем 0,5-1 секунду. Если учесть, что за это время каждое звено должно прийти хотя бы в одно соприкосновение с соседними звеньями с обеих сторон, то, следовательно, частота пульсаций должна составить не менее 2 Гц. В отсутствие соприкосновений с соседними цепями обновление поверхности пленки будет происходить только при перетекании жидкости с одного звена цепи на другой.
Ограниченность подвижности и амплитуды колебаний элементов насадки, реализуемая в аппарате с цепной насадкой, в отличие от аппаратов с псевдоожиженным слоем насадки, дает возможность устойчиво работать аппарату в широком диапазоне изменения скоростей газа (0-3,5 м/с).
Электромагнитное колебательное устройство 2 (фиг.1) состоит из электромагнита, подключенного к постоянному электрическому току. Для колебаний каждой решетки 5 используется пара электромагнитов, работающих с попеременным включением с определенной частотой. Таким образом, решетка 5 в месте крепления попеременно притягивается якорями 6 к сердечникам электромагнитов, обеспечивая колебательное движение заданной частоты. Периодическая смена полюсов электромагнита вызывает колебания решетки 5, к которой подвешены цепи. По решетке 5 колебания передаются вертикально подвешенным цепям 1.
Возникновение колебательного движения цепей приводит к увеличению интенсивности процессов тепло- и массообмена и повышению эффективности работы насадки. Это, в свою очередь, приведет к снижению габаритов аппарата.
Осуществление изобретения
Предлагаемую цепную насадку можно применить, например, для процесса десорбции газа из жидкости (абсорбента). В этом случае предлагаемая цепная насадка работает следующим образом.
В верхнюю часть аппарата на цепи через штуцер 8 и распределительное устройство 7 подается насыщенный газом жидкий абсорбент (фиг.1).
Жидкость стекает пленкой сверху вниз по звеньям цепей 1. Возможно образование натянутой пленки жидкости внутри звена цепи. Такая пленка с двух сторон соприкасается с потоком газа, что приводит к увеличению поверхности массообмена.
Выделившийся газ поднимается снизу вверх по криволинейным каналам, образованным цепями. Поперечное сечение каналов по высоте изменяется, и поэтому в местах сужений потока формируются повышенные скорости газа и, как следствие, в таких областях формируется пониженное давление. В результате это приводит к движению звеньев цепи, стремящихся в область пониженного давления. На фиг.3 область пониженного давления показана точкой 11. Вследствие этого цепь приобретает колебательное движение.
При взаимодействии на поверхности насадки потоков газа и жидкости происходит массоперенос компонента из жидкой фазы в газовую фазу. Выделившийся газ отводится через штуцер 10 в верхней части аппарата (фиг.1).
Очищенный абсорбент отводится через штуцер 9 в нижней части аппарата.
Целесообразно установить такой режим колебаний цепей, чтобы за время движения жидкости по поверхности одного звена цепи τ произошло хотя бы одно соприкосновение со звеном соседней цепи. В этом случае будет обеспечено дополнительное перемешивание жидкости в пленке и обновление поверхности пленки, что приведет к возрастанию скорости массообмена. Поэтому в верхней и нижней части аппарата устанавливается электромагнитное колебательное устройство 2, задающее определенную частоту и амплитуду колебаний вертикальных, свободно подвешенных цепей. Амплитуда колебаний цепей равна расстоянию между цепями - диаметру прутка, из которого изготовлена цепь. Время движения пленки жидкости вдоль одного звена цепи составляет в среднем 0,5-1 секунду. Если учесть, что за это время каждое звено должно прийти хотя бы в одно соприкосновение с соседними звеньями с обеих сторон, то, следовательно, частота пульсаций должна составить не менее 2 Гц. В отсутствие соприкосновений с соседними цепями обновление поверхности пленки будет происходить только при перетекании жидкости с одного звена цепи на другой. Таким образом, решетка 5 приводит в движение цепи 1.
Очищенный абсорбент выходит из низа аппарата через штуцер 9. Выделившийся из жидкости (абсорбента) газ выходит из аппарата через штуцер 10.
Предлагаемая цепная насадка позволяет развить высокую скорость и эффективность массообмена за счет высокой поверхности контакта фаз, а также за счет обновления поверхности пленки жидкости, возникающего при периодическом соприкосновении друг с другом звеньев соседних цепей, приводимых в движение электромагнитным колебательным устройством. Это обеспечит снижение габаритных размеров аппарата и сокращение капитальных затрат на его изготовление.
Ограниченность подвижности и амплитуды колебаний элементов насадки, реализуемая в аппарате с цепной насадкой, в отличие от аппаратов с псевдоожиженным слоем насадки, дает возможность устойчиво работать аппарату в широком диапазоне изменения скоростей газа (0-3,5 м/с).
Таким образом, в новой конструкции насадки создаются более благоприятные условия для протекания процессов массообмена, чем в известных аналогичных конструкциях.