НАСАДКА ДЛЯ МАССООБМЕННОГО АППАРАТА

Техническое решение относится к насадкам для массообменных аппаратов: абсорбционных ректификационных и экстракционных колонн, работающих в пульсационном режиме, и может найти применение, в химической, нефтехимической, биохимической, энергетической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов.
Известны массообменные аппараты с насадкой и пульсатором: поршневым, мембранным или сильфонным. 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 малая производительность при работе с высоковязкими структурированными неньютоновскими жидкостями из-за недостаточной скоростью массопереноса между дисперсными фазами: газожидкостной или жидкостно-жидкостной.
Известны насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, стержень и перфорированные диски, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет d/D=0,94÷0,98, причем стержень установлен осесимметрично с аппаратом и имеет возможность осевого перемещения, причем нижний торец стержня жестко соединен с верхним перфорированным диском, а верхний торец - с механизмом осевого перемещения (П.м. 117310 РФ, МПК B01D 45/00. Насадка для массообменного аппарата / А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, Д.А. Федянина, Е.Г. Фетисова, А.О. Шульга, Т.А. Пенькова; ВолгГТУ. - 2012.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неподвижность элементов насадки, из-за чего сложно производить ремонт оборудования, что будет способствовать увеличению времени простаивания оборудования и тем самым снижать производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, фиксирующие элементы в виде параллельных стрежней, установленных в проволоке или полимерных мононитях и закрепленных на концах пластинами, причем пластины выполнены в виде перфорированных дисков, а стрежни - в виде болтов, равномерно установленных по окружности дисков, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет d/D=0,94÷98, где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата. (П.м. 109015 РФ, МПК B01J 19/32, B01D 45/00. Насадка для массообменного аппарата / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Н.А. Дулькина, Е.Г. Фетисова, Ю.О. Ужва, А.А. Решетников; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2011.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неподвижность элементов насадки при противоточном движении вокруг их поверхности жидкости и газа, что снижает скорость массопереноса и производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для массообменного аппарата, содержащей проволоку и перфорированные диски, в которой отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет:
где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, причем под нижним диском установлен пульсатор колебаний газа, а на верхнем диске осесимметрично закреплен дополнительный груз с массой, определяемой выражением.
где m - масса дополнительного груза, кг;
α - упругость насадки из проволоки, Н/м;
f - частота пульсатора колебаний газа, Гц;
М - масса верхнего диска, кг.
Установка под нижним диском пульсатора колебаний газа позволяет вести массообменный процесс между газом и жидкость в колебательном динамическом режиме, что интенсифицирует процесс массопереноса и увеличивает производительность.
Установка на верхнем диске дополнительного груза с массой т, определяемой по выражению (1), позволяет вести режим массопереноса между жидкостью и газом в резонансном режиме, то есть с большой амплитудой и частотой, равной частоте пульсации газа, получающей эти колебания от пульсатора. Такие колебания газа с высокой амплитудой вызывают такие же высокие колебания в жидкости, которая тиксотронно разжижается, ее структура разрушается, а эффективная вязкость неньютоновских жидкостей значительно снижается. Это приводит к интенсификации массообмена на границе поверхностей жидкости и газа и в целом увеличивает производительность.
Известно, что собственная частота колебаний физического маятника определяется уравнением:
(В.М. Яворский и А.А. Детлаф. Справочник по физике. Государственное издательство физико-математической литературы. - М.: 1963, с. 102).
o
где M - масса груза, подвешенного на пружине с упругостью α, кг.
Для рассматриваемой насадки для массообменного аппарата, масса груза определяется как сумма массы дополнительного груза и верхнего диска, т.е.:
а роль пружины выполняет проволока или полимерные мононити, имеющие упругость α, которую несложно замерить следующим образом: насадку из проволоки укладывают на нижний диск и замеряют ее высоту в свободном состоянии. Затем сверху укладывают верхний диск массой М под действием которой слой насадки деформируется на величину Δh, а затем по уравнению
2
где g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с - определяют упругость насадки α.
Решая уравнение (2) с учетом выражения (3) относительно массы дополнительного груза m получаем искомое выражение (1).
Осесимметричное закрепление на верхнем диске груза массой m необходимо для создания динамического равновесия при колебаниях без перекоса верхнего диска относительно нижнего, чтобы обеспечить одинаковую порозность и удельную поверхность насадки во всем объеме насадки. Это предотвращает неравномерное распределение газа и жидкости по объему насадки, обеспечивает наибольшую интенсивность массопереноса и способствует увеличению производительности.
На чертеже показан общий вид насадки для массообменного аппарата.
Она представляет собой проволоку 1 в виде спиралей различной толщины и профиля с высотой Н, уложенных на нижний перфорированный диск 2 и закрытых сверху таким же перфорированным диском 3. Насадка с дисками 2 и 3 помещены в корпус 4 массообменного аппарата. Сверху корпус 4 герметично закрыт крышкой 5 с патрубком 6 для подачи жидкости и патрубком 7 для отвода газа (пара). Нижний диск закреплен внутри корпуса 1 на опорах 8.
Внутри корпуса 1 под нижним диском 3 установлен пульсатор колебаний газа, обеспечивающий частоту f вынужденных колебаний газа (поршневой или пневматический - на чертеже не показан). На верхнем диске 2 снаружи осесимметрично с корпусом 1 закреплен дополнительный груз 9 массой т, определяемой выраженном (1) и выполненный, например, в виде кольца.
Насадка массообменного аппарата работает следующим образом. Снизу вверх в корпус 1 подают газ, а сверху вниз по патрубку 6 жидкость. Включают пульсатор, создающий вынужденные колебания в газе частотой f. Так как верхний диск 2 имеет диаметр d меньше внутреннего диаметра корпуса 1 аппарата, поэтому он может свободно перемещаться вдоль оси корпуса 1.
Верхний диск 2, имеющий массу М вместе с дополнительным грузом 9, имеющий массу m вместе с насадкой 1, выполненной из проволоки и обладающий упругостью а, образуют физический маятник, обладающий собственной частотой колебаний, которая определяется уравнением (2).
Так как масса m дополнительного груза 9 подобрана таким образом, что частота собственных колебаний физического маятника совпадает с частотой пульсаций, то насадка 1 совершает резонирующие колебания с высокой амплитудой А. Эти высокие амплитудные осевые колебания интенсифицируют процесс массопереноса между поверхностью газа и жидкости внутри насадки 1, что способствуют увеличению производительности.
Пример:
Частоте пульсации газового пульсатора 5 Гц, то есть создает 5 колебаний в секунду в газовой фазе.
-3
Масса верхнего перфорированного диска 2 диаметром d меньшим диаметра D корпуса 4 колонны М=40 кг. Диск 2, уложенный на насадку 1, создает в ней упругую деформацию, уменьшающую высоту насадки 1 на δ=8 мм или δ=8⋅10 м, тогда упругость насадки определяется в виде:
По выражению (1) определяем массу m дополнительного груза:
Таким образом, осесимметричное закрепление на верхнем диске 2 дополнительного груза 9 массой m=9,7 кг обеспечивает равенство собственной частоты колебаний физического маятника образованного насадкой 1 с массой М верхнего диска 2 и массой m дополнительного груза 9 с частотой f вынужденных колебаний газа в корпусе 1 аппарата, создаваемой газовым пульсатором в газе, что обеспечивает резонансные высокоамплитудные колебания насадки 1, выполненной из проволоки, которые интенсифицируют массоперенос между поверхностью раздела фаз между жидкостью и газом в насадке 1, что приводит к росту производительности массообменного аппарата.