Пакетная насадка для контактирования смеси веществ
PACKAGE NOZZLE FOR CONTACT OF SUBSTANCE MIXTURE

Изобретение относится к конструкциям пакетных насадок для тепло- и массообменных аппаратов, используемых для проведения процессов абсорбции, десорбции, мокрого пылеулавливания в химической, нефтехимической, энергетической, металлургических и других смежных отраслях промышленности.
Известны пакетные насадки для тепло- и массообменных аппаратов: пакетная насадка [Патент Великобритании №1520868, B1R] представляет собой множество ячеек, образующих вертикальные каналы, со стенками, выполненными из сетки. Недостатком этой насадки является то, что она создает недостаточную турбулизацию фаз и межфазную поверхность при значительной анизотропности потоков по диаметру аппарата; пакетная насадка [Патент РФ №814419, B01D 53/20] представляет набор вертикальных каналов с перераспределяющими устройствами внутри этих каналов, которые значительно исправляют последний недостаток предыдущей пакетной насадки, незначительно увеличивая турбулизацию фаз и межфазную поверхность. Пакетная насадка [Патент ПР №101424] представляет собой множество одинаковых ячеек прямоугольной формы с загнутыми окончаниями боковых стенок с одной стороны ячейки, образуя фронтальную щель, и соединенных между собой в единый пакет с размерами, равными диаметру аппарата.
Общим недостатком этих пакетных насадок является также то, что они допускают вероятность проскока больших газовых пузырей и при интенсивных режимах работы наблюдается большой брызгокапельный унос.
Известна пакетная насадка [Патент SU №1204240, B01J 19/32]. Данная насадка представляет собой множество одинаковых ячеек прямоугольной формы с загнутыми окончаниями боковых стенок ячейки. При этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе ячейки за счет удлиненных загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель. На выходе из ячейки верхний конец одной стенки выполнен отогнутым внутрь.
Также известна пакетная насадка (Патент РФ №2205063 от 27.05.2003). Данная насадка представляет собой множество одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, при этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе в ячейку за счет загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель, а на выходе газового потока из ячейки окончания обеих стенок также выполнены загнутыми внутрь ячейки, перекрывая фронтальную щель и образуя второй завихритель.
Пакетная насадка (Патент РФ №2416461 от 17.02.2010) по технической сущности наиболее близка к заявляемой. Данная насадка представляет собой множество одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, при этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе и на выходе ячейки за счет загнутых внутрь окончаний, образующих завихрители на входе и на выходе из ячейки. Оси завихрителей на входе и выходе каждой ячейки в проекции пересекаются под прямым углом (фиг.3). Ячейки в пакете, при виде сверху и снизу, собираются таким образом, чтобы фронтальные щели, являющиеся завихрителями, каждой ячейки и четырех смежных по периметру ячеек были взаимно перпендикулярны.
Недостатком прототипа является малая эффективность работы тепломассообменного аппарата из-за недостаточной турбулизации контактирующих фаз, а именно малоинтенсивного вихревого движения внутри ячейки особенно при малых расходах, в результате чего не обеспечивается высокая эффективность процессов тепломассопереноса и процесса пылеулавливания.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы тепломассообменного аппарата за счет снижения гидравлического сопротивления предлагаемой насадки.
Указанная задача достигается тем, что в пакетной вихревой насадке для тепло- и массообменных аппаратов, состоящей из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, при этом окончания противоположных стенок каждой ячейки согнуты внутрь по цилиндрической или отличной от нее поверхности со смещением относительно друг друга по вертикали, так чтобы они перекрывали фронтальные щели на входе и на выходе из ячейки, образуя завихрители так, что фронтальные щели завихрителей на входе и выходе в каждой из ячеек расположены под углом к вертикальной оси ячейки и параллельно друг другу. При этом поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта регулярной шероховатостью и/или перфорацией любой формы. Также поверхность каждой ячейки может быть полностью или частично иметь покрытие, улучшающее смачиваемость поверхности жидкостью, или может быть покрыта катализатором.
В предлагаемом устройстве фронтальные щели завихрителей на входе и выходе в каждой из ячеек расположены под углом к вертикальной оси ячейки и параллельно друг другу, при этом оси завихрителей параллельны друг другу в пространстве (фиг.2 и 4), тогда как в прототипе фронтальные щели завихрителей на входе и выходе в каждой из ячеек перпендикулярны вертикальной оси ячейки, а их оси скрещиваются в пространстве под прямым углом (фиг.1 и 3).
Проведенные экспериментальные исследования опытных образцов заявленной насадки показали, что предлагаемая насадка имеет более низкое гидравлическое сопротивление, чем гидравлическое сопротивление прототипа, что подтверждается сравнением представленных графиков зависимости гидравлического сопротивления от расхода фаз. Представленные на фиг. 6 и 7 данные подтверждают, что заявленная насадка обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, а зависимость гидравлического сопротивления от расхода фаз имеет более плавный характер, что более удобно для работы.
На фиг. 1 представлен общий вид прототипа пакетной вихревой насадки.
На фиг. 2 представлен общий вид заявляемой пакетной вихревой насадки.
На фиг. 3 представлен вид сбоку ячейки прототипа пакетной вихревой насадки.
На фиг. 4 представлен вид сбоку ячейки заявляемой пакетной вихревой насадки.
На фиг. 5 показано расположение бокового окна и фронтальной щели завихрителя ячейки как прототипа, так и заявляемой пакетной вихревой насадки.
На фиг. 6 представлен график зависимости гидравлического сопротивления прототипа от расхода фаз, а на фиг. 7 - график зависимости гидравлического сопротивления заявляемой насадки от расхода фаз.
Предлагаемая пакетная вихревая насадка работает следующим образом. В рабочем режиме, когда фазы движутся противотоком, образуются интенсивные вихревые движения за счет взаимодействия газа и жидкости внутри вихревой ячейки, что приводит к высокой турбулизации фаз и созданию развитой межфазной поверхности большей, чем создают известные пакетные насадки. Это происходит, во-первых, из-за завихрителей, а во-вторых, из-за регулярной шероховатости или перфорации на стенках ячеек. Фронтальные щели завихрителей установлены под углом к вертикальной оси ячейки и параллельно друг другу. Угол установки зависит от формы поверхности, по которой согнуты окончания боковых стенок внутрь ячейки. Полученная при этом форма ячейки такова, что даже при смоченных поверхностях не происходит поджатие газового потока ни на входе в ячейку, ни внутри ее, ни на выходе, а только изменение направления его движения. Отсутствие прямолинейных каналов вдоль вертикальной оси снижает вероятность проскока больших газовых пузырей. Данная форма ячейки приводит к созданию вихря внутри нее, вращающегося вокруг всех трех осей, а также к разделению потоков на входе и выходе из нее на равные части, каждая из которых поступает в соседние ячейки следующего пакета, тем самым достигается изотропность потоков по диаметру аппарата. Данное вихревое движение характеризуется огромными скоростями сдвига, которые позволяют резко интенсифицировать тепломассообменные процессы, а также резко понизить эффективную вязкость улавливающей суспензии в процессе пылеулавливания, что влечет за собой значительное повышение к.п.д. процесса. Характер взаимодействия газа с жидкостью носит вид, при котором не происходит резкого роста гидравлического сопротивления в рабочем диапазоне плотностей орошения и скорости газа. Форма ячейки такова, что практически не дает возможности прямого попадания жидкости в нее, а также внутри нее образуется вихрь, трехмерное движение которого поддерживается в основном за счет энергии газового потока, расход которой невелик. Образующиеся капли внутри ячейки тут же отбрасываются к стенкам, смоченным стекающей жидкостью, поэтому внутри ячейки преобладает пленочное течение жидкости, которое обладает наименьшим гидравлическим сопротивлением из всех возможных течений. Подобная форма ячейки наделяет насадку сепарационным эффектом, что приводит даже при высоких параметрах вихревого движения внутри ячейки к резкому снижению брызгокапельного уноса.
Таким образом, из представленных графиков следует, что при одинаковых расходах фаз заявляемая пакетная вихревая насадка обладает меньшими энергетическими затратами, выражаемыми через гидравлическое сопротивление. Также из графиков видно, что характеристика гидравлического сопротивления у заявляемой пакетной вихревой насадки более удобна для работы насадочной колонны и резко не растет при повышенных расходах фаз.