ЭЛЕМЕНТ НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ КОЛОНН

Область техники
Полезная модель относится к конструкциям насыпных наполнителей предназначенных для заполнения насадочных колонн и другой тепломассообменной аппаратуры с целью повышения интенсивности тепло- и массообменных процессов в оборудовании систем водоподготовки (абсорбция газов) и обработки стоков, химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности
Уровень техники
Известен шаровидный элемент наполнителя для насадочных колонн (RU, №2310499, кл. В01D 53/18, B01J 9/30, 2007 г.). Шаровидный элемент выполнен с рядом углублений в сферической поверхности, оси которых сходятся в центре шара, разделенными стенками, причем толщина стенок между углублениями уменьшается к центру шара. Недостатком указанного элемента наполнителя является недостаточная эффективность массообмена и высокое гидравлическое сопротивление.
Известно также решение элемента наполнителя для насадочных колонн US 4842920 шарообразной формы в сферической поверхности которого образованы углубления, разделенные тонкими стенками. Шарообразный элемент разделен на две половины сплошной круглой перегородкой с овальным проходным отверстием, расположенным в центре перегородки, на продольной оси проходного отверстия, перпендикулярно перегородке закреплена сплошная круглая перегородка, разделяющая проходное отверстие по его продольной оси пополам, на перегородке на равном расстоянии друг от друга закреплены тонкие стенки, выполненные плоскими, круглой формы уменьшающегося к наружной кромке диаметра. Стенки расположены параллельно друг другу и перпендикулярно круглой перегородке с овальным отверстием. Недостатками известного элемента наполнителя является наличие центров каплеобразования, в частности сформированных с наружной стороны от пластин с наименьшем радиусом концевых элементах, что приводит к стеканию жидкости в виде капель и струй. Эффективная поверхность контакта фаз при этом значительно снижается по сравнению с пленочным течением жидкости, что, в свою очередь, снижает эффективность массообмена. К числу недостатков также можно отнести и ограниченную эффективность массообмена вследствие возможного сцепления элементов друг с другом, что приводит к снижению активной поверхности межфазного контакта и в целом ухудшению эффективности тепломассообмена.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявленному решению полезной модели, принятому за прототип, является решение элемента наполнителя для насадочных колонн, известное из публикации патента РФ на полезную модель №98339. Согласно вышеуказанной полезной модели элемент наполнителя для насадочных колонн, выполнен шарообразной формы, в сферической поверхности которого образованы углубления, разделенные тонкими стенками, при том, что шарообразный элемент разделен на две половины сплошной круглой перегородкой с овальным проходным отверстием, расположенным в центре перегородки, на продольной оси проходного отверстия перпендикулярно перегородке закреплена перемычка, разделяющая проходное отверстие по его продольной оси пополам, на перемычке на равном расстоянии друг от друга закреплены конусообразные стержни, к которым прикреплены тонкие стенки волнообразной формы, при этом прикрепление стенок к стержням выполнено в месте образования центрального гребня. К числу недостатков известного элемента можно, как и для предыдущего решения, отнести наличие центров каплеобразования, в частности, образованных посредством рассредоточенных по объему конусообразных стержней, что способствует капельному уносу жидкости. Одновременно массообменная поверхность неравномерно распределена по объему тепломасообменного аппарата. Указанные недостатки снижают активную поверхность межфазного контакта, способствуют повышению гидравлического сопротивления и в целом ухудшают эффективность тепломассообмена.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание конструкции элемента наполнителя насадочных тепломассообменных колонн, обеспечивающей увеличение эффективной поверхности массобмена за счет пленочного течения жидкости по поверхности элемента, снижение гидравлического сопротивления путем изменения профиля поверхности межфазного контакта жидкость/газ.
Техническим результатом полезной модели является повышение интенсивности массообмена и повышение производительности массообменных аппаратов.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что используют элемент наполнителя для тепломассообменных колонн шарообразной формы, сферическая поверхность которого образована углублениями, сформированными тонкими стенками волнообразной формы, разделенный на две половины сплошной круглой перегородкой снабженной проходным отверстием, на продольной оси которого, перпендикулярно перегородке, закреплена перемычка, разделяющая проходное отверстие по его продольной оси, а тонкие стенки выполнены перпендикулярными перегородке и перемычке. При этом, заявленное решение элемента наполнителя отличается тем, перегородка снабжена по меньшей мере двумя выполненными соосно проходными отверстиями с отбортовкой с одной из сторон перегородки, а перемычка выполнена с обеспечением возможности закрепления на ней тонких стенок волнообразной формы, таким образом, что их наибольшие гребни волны расположены соосно, вдоль оси проходных отверстий, при этом симметричные относительно основного гребня прогибы тонких стенок со стороны прилежащей к перегородке со стороны с отбортовкой проходных отверстий снабжены цилиндрическими стержнями. В предпочтительном варианте перемычка может быть выполнена в виде узкой пластины прямоугольной формы со скругленными уголками.
Стенки расположены друг от друга с шагом от 0,05 до 0,15 диаметра шарообразного элемента, параллельно друг другу, перпендикулярно круглой перегородке и закреплены симметрично с двух сторон на круглой перегородке. Кроме того, элемент изготовлен из полимерных материалов.
Выполнение элемента наполнителя для насадочных колонн, по меньшей мере, с двумя круглыми проходными отверстиями, расположенными соосно на круглой перегородке, в сочетании с выполнением тонких стенок волнообразной формы позволяет увеличить его свободный объем и поверхность контакта взаимодействующих фаз. Такое выполнение конструкции элемента наполнителя приводит к интенсификации процесса массообмена, а также способствует образованию в слое насадки турбулентного течения на внутренних поверхностях элемента, за счет формирования проходными отверстиями нескольких, по меньшей мере двух, каналов, проходя через которые поток газа дробится, что способствует многократному изменению направления движения газовых струй, а в случае применения проходных отверстий разных диаметров, и скорости его движения. В свою очередь, пересечение потоков при переходе с одной насадки на другую создает дополнительные местные завихрения жидкостного и газового потоков, улучшая условия для межфазного перемешивания и существенно увеличивая поверхность контакта взаимодействующих фаз, что в свою очередь приводит к повышению эффективности массообмена и снижению гидравлического сопротивления.
Выполнение цилиндрических стержней с одной из сторон перегородки, в два симметрично расположенных ряда в сочетании с отбортовкой проходных отверстий, выполненной с той же стороны приводит к снижению риска образования центров каплеобразования за счет исключения кромочных эффектов на пути стекания жидкостного потока сверху вниз, обеспечивая непрерывную поверхность пленки на поверхности элементов наполнителя насадки, а также к устойчивой самоориентации элементов наполнителя по направлению к контактируемым потокам при загрузке в навал за счет смещенного центра тяжести, что в совокупности увеличивает пропускную способность насадки, увеличивает эффективность процесса массообмена и снижает гидравлическое сопротивление.
Минимальное значение шага между стенками составляет 0,05 диаметра шарообразного элемента, а максимальное 0,15. При выполнении шага между стенками менее 0,05 диаметра шара резко снижается эффективность массообмена за счет срыва пленки с поверхности насадки, что недопустимо, а увеличение расстояния более 0,15 диаметра шара - нецелесообразно, т.к. резко снижается эффективность массообмена за счет снижения площади контакта.
Выполнение шарообразного элемента из пластмассы стойкой к агрессивной среде позволяет увеличить срок его службы.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид шарообразного элемента наполнителя для тепломассообменных колонн; на фиг.2 - вид элемента наполнителя со стороны отбортовки проходных отверстий и цилиндрических стержней; на фиг.3 - вид элемента-наполнителя со стороны свободной от стержней; на фиг.4 - сечение со стороны отбортовки и цилиндрических стержней; 5 - вид сверху.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели и поэтому не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое включает другие варианты выполнения.
Осуществление полезной модели
Элемент насадки выполнен шарообразной формы, из полимерных материалов. В сферической поверхности элемента образованы углубления 1, разделенные тонкими стенками 2. Шарообразный элемент разделен на две половины сплошной круглой перегородкой 3 с круглыми проходными отверстиями 4 и 5, расположенными в центре перегородки. На продольной оси проходных отверстий 4 и 5, перпендикулярно перегородке 3 закреплена перемычка 6, разделяющая проходное отверстие 4 по его продольной оси пополам. В предпочтительном варианте перемычка 6 выполнена в виде узкой пластины, что позволяет увеличить поверхность контакта фаз. При этом, выбор в качестве конфигурации перемычки прямоугольной формы с закругленными уголками, с одной стороны, увеличивает жесткость конструкции, предотвращая деформацию стенок элемента наполнителя под воздействием контактируемых потоков, а с другой стороны, за счет скругления угловых элементов препятствует капельному уносу жидкости. Перемычка 6 может быть также выполнена и в виде сплошной пластины круглой или овальной формы, высота которой будет ниже уровня сферической поверхности элемента наполнителя или равна диаметру внешней сферической поверхности. При всем возможном разнообразии используемых типоразмеров перегородок 6, обеспечивающих возможность влияния на формирование свободного объема элемента наполнителя, требование к ее пластической проработке в виде сглаженного формообразования остается неизменным по изложенным выше основаниям, что позволяет достигать заявленный технический результат при разных в заявленных пределах формах перемычки. На перемычке 6 на равном расстоянии друг от друга закреплены тонкие стенки 2, выполненные волнообразными, таким образом, что центральные гребни 7 расположены вдоль продольной оси проходных отверстий 4 и 5. При этом в прогибах 8, 9 волнообразных стенок 2, соседних с центральным гребнем 7, со одной из сторон от круглой перегородки 3 расположены тонкие цилиндрические стержни 10. При этом проходные отверстия 4 и 5 с той же стороны круглой перегородки 3 снабжены отбортовкой 11. Элемент наполнителя может быть изготовлен по технологии формования под давлением (термопластавтомат) из полипропилена, полиэтилена, полистирола, полихлорвинила с обеспечением возможности эксплуатации в диапазоне рабочих температур между 20°С и 80°С (в особых случаях до 120°С), обеспечивающим сохранение физико-химических свойств материала в процессе эксплуатации.
Элемент наполнителя для тепломассообменных колонн работает следующим образом.
При загрузке колонны шаровидными элементами, они, за счет смещения центра тяжести, при свободном падении ориентируются утяжеленной за счет расположения стержней 10 и отбортовки 11 стороной вниз. При этом за счет симметричного расположения относительно центральной оси стержней в два ряда, данный процесс становится устойчивым с высокой степенью повторяемости результата.
После заполнения аппарата наполнителем и подачи в него сверху жидкости, вода при движении сверху вниз через шаровидные элементы, интенсивно разбрызгивается и перераспределяется по диаметру аппарата, образуя на поверхности элементов пленку жидкости благодаря отсутствию центров каплеобразования. Поступающий снизу вверх газ при движении по колонному аппарату проходит сквозь элементы наполнителя и контактирует на поверхности элементов с жидкостью, которая распределена по сечению аппарата и стекает по поверхности шаровидных элементов в виде пленки. Жидкость накапливаемая в промежутках между волнообразными стенками 2 в углублениях 1 перетекает на нижние элементы, таким образом обеспечивая перетекание пленки жидкости с одного элемента на другой, сохраняя непрерывность жидкостной пленки, при этом происходит обновление поверхности контакта фаз. Заявленная конструкция шарообразного элемента за счет формообразования элемента и отсутствия центров каплеобразования исключает образование застойных областей контактных зон, повышает равномерность распределения потоков, снижая гидравлическое сопротивление.
Между проходными отверстиями круглых перегородок элементов наполнителя образуются каналы, проходя через которые поток газа дробится на большое число струй. При этом также обеспечивается многократное изменение направления движения газовых струй, а в случае использования наполнителей с переменным радиусом проходных отверстий, и скорости его движения. Поперечная волнообразным стенкам перемычка предотвращают их избыточную деформацию, поддерживая стабильность сферической формы внешней поверхности.
Увеличенная за счет волнообразных стенок 2 удельная поверхность насадки, оптимальное расположение элементов при их загрузке в колонну способствует более интенсивному массообмену за счет постоянного обновления межфазной поверхности.
Таким образом, заявляемая конструкция элемента наполнителя тепломассообменных колонн позволяет увеличить эффективную поверхность массообмена элемента наполнителя за счет пленочного течения жидкости по поверхности элемента, снизить гидравлическое сопротивление, повышая интенсивность массообмена и производительность массообменных аппаратов. Это позволяет достичь высокой скорости движения газовой фазы без излишнего захвата жидкости парами (газами), смачивания поверхность насадки и равномерного распределения жидкости по всему объему тепломассообменного аппарата. Форма насадки способствует перетеканию пленки с одних элементов на другие, что приводит к частому обновлению межфазной поверхности, предотвращает каплеобразование и капельный унос жидкости паровым (газовым) потоком, значительно интенсифицируя, тем самым, тепломассообмен между паровой (газовой) и жидкой фазами.