НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам для проведения тепло- и массообменных процессов в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки жидкостей и газов при проведении процессов абсорбции, ректификации и экстракции.
Известны комбинированные насадки, состоящие из крупных колец, укладываемых правильными рядами со сдвигом верхних рядов относительно нижних, внутрь которых засыпается мелкая насадка. (Скрубберы с комбинированной насадкой / Н.В. Инюшкин и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение, №3. 2013. С. 28-30).
К недостаткам этой конструкции насадки относятся недостаточная интенсивность тепло- и массопередачи из-за неподвижности крупных и мелких колец, что приводит к снижению производительности.
Известен скруббер с подвижной насадкой, выполненной в виде цилиндрических колец из мягких упругих материалов типа резины или полимеров, внутри каждого из которых жестко закреплена распорка в виде оси, на которой установлена пропеллерная мешалка с возможностью свободного вращения (патент РФ №135532, МПК B01D 53/18, 20.12.2013 г.).
К недостаткам такой насадки относится высокое гидравлическое сопротивление, создаваемое установленными внутри каждого цилиндрического кольца пропеллерными мешалками, что снижает допустимый диапазон нагрузок по жидкости и газу массообменного аппарата с такой насадкой, что, в свою очередь, приводит к уменьшению скорости протекания тепло- и массообменных процессов и приводит к снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, относится насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, отличающаяся тем, что тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены на торцевых частях посредством не менее двух пружин, при этом отношение наружного диаметра d внутреннего кольца к внутреннему диаметру D наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
где h и H - соответственно высоты внутреннего и наружного колец.
(П.м 148733 РФ, МПК B01J 19/00, 10.12.2014)
К недостаткам этой насадки относится сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством пружин, а также недостаточная интенсивность тепло- и массообменных процессов, что приводит к снижению производительности.
Техническим результатом предлагаемой насадки для тепло- и массообменных аппаратов является увеличение производительности тепло- и массообменных процессов за счет динамических колебаний внутренних колец под действием потоков жидкости и газа.
Технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
где h и H - соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, отличающаяся тем, что внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным с положительной плавучестью в рабочей жидкости и соединено с наружным кольцом на нижнем торце.
Выполнение внутреннего тела вращения, обладающего положительной плавучестью в рабочей жидкости позволяет при работе насадочной колонны в режиме эмульгирования, когда жидкая фаза становится сплошной, а газовая дисперсной, всплывающей в виде пузырьков, под действием потока рабочей жидкости каждому внутреннему телу вращения всплывать и находиться во взвешенном состоянии по отношению к наружному кольцу, образуя так называемый обратный псевдоожиженный слой, при этом пузырьки газа, сталкиваясь с боковой поверхностью внутреннего «плавающего» тела вращения, раскачивают его, заставляя совершать продольные и поперечные колебания внутри. Эти колебания интенсифицируют массообменные процессы на границе раздела фаз, образованной поверхностью пузырьков, что приводит к увеличению производительности.
Соединение внутреннего тела вращения с наружным кольцом на нижнем торце посредством двух пружин позволяет внутреннему телу вращения совершать поперечные и продольные колебания под действием газового потока с высокой амплитудой, не покидая при этом наружное кольцо, что приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа и жидкости и к увеличению производительности тепло- и массообменных процессов в целом.
Выполнение внутреннего тела вращения равномерно перфорированным приводит к дополнительной турбулизации газожидкостного потока, снижению гидравлического сопротивления, что позволяет повысить допустимый диапазон нагрузок по жидкости и газу массообменного аппарата с такой насадкой, что в свою очередь приводит к увеличению скорости протекания тепло- и массообменных процессов и повышению производительности.
На чертеже представлен общий вид в разрезе насадки с установленным внутри телом вращения, имеющим положительную плавучесть.
Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного кольца 1 с внутренним диаметром D и высотой H и внутреннего тела вращения 2 с внешним диаметром d и высотой h. Отношение внешнего диаметра d внутреннего тела вращения 2 к внутреннему диаметру D наружного кольца 1 равно 0,7, а отношение их высот подчиняется условию (1). Нижние торцы наружного кольца 1 и внутреннего тела вращения 2 соединены между собой двумя пружинами 3. Наружные кольца 1 упорядоченно установлены на опорных решетках внутри колонны, а внутри каждого наружного кольца 1 установлены внутренние тела вращения 2, имеющие положительную плавучесть в рабочей жидкости, находящейся в колонне, при этом внутренние тела вращения 2 равномерно перфорированы.
Торцы наружных колец 1 не взаимодействуют с торцами внутренних тел вращения 2, и последние могут свободно колебаться на пружинах 3 внутри наружных колец 1.
Насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом.
Крупные наружные кольца 1 укладываются правильными рядами со сдвигом верхних рядов относительно нижних, внутри каждого наружного кольца 1 устанавливается внутреннее тело вращения 2, имеющее положительную плавучесть в рабочей жидкости, равномерно перфорированное и соединенное с наружным кольцом 1 на нижнем торце посредством двух пружин 3.
Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ. Под действием потока газа каждое внутреннее тело вращения 2 совершает колебания, которые передаются всплывающими пузырьками газа. Это обстоятельство приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа и жидкости и к увеличению производительности тепло- и массообменных процессов в целом. Так как высота h внутреннего тела вращения 2 меньше высоты H наружного кольца 1, и отношение этих высот лежит в пределах 0,8÷0,9, под действием потока рабочей жидкости каждое внутреннее тело вращения 2 всплывает и находится во взвешенном состоянии, образуя так называемый обратный псевдоожиженный слой, а пузырьки газа, сталкиваясь с боковой поверхностью внутреннего «плавающего» тела вращения 2 раскачивают его, заставляя совершать продольные и поперечные колебания. Эти колебания интенсифицируют массообменные процессы на границе раздела фаз, образованной поверхностью пузырьков.
Использование в конструкции насадки двух пружин 3, соединяющих нижние торцы внутреннего тела вращения 2 и наружного кольца 1, позволяет закрепить внутреннее тело вращения 2, имеющего положительную плавучесть в рабочей жидкости, и предотвратить его вынос из наружного кольца 1.
Внутренние тела вращения 2 с положительной плавучестью могут быть изготовлены из полимеров, плотность которых меньше плотности рабочей жидкости, например, полиуретана, или газонасыщенных полимеров типа пенопластов, изготовленных путем экструзии, литья или прессования.
Таким образом, установка внутри наружного кольца 1 внутренних тел вращения 2, имеющих положительную плавучесть в рабочей жидкости и равномерно перфорированных позволяет увеличить скорость тепло- и массообмена на границе раздела фаз, что приводит к росту производительности тепло- и массообменных процессов в целом.