ЭЛЕМЕНТ НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ КОЛОНН

Назначение и область применения
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
Предшествующий уровень техники
Известен шаровидный элемент наполнителя для насадочных колонн (RU, №2310499, кл. B01D 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 US4842920  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 за счет сформированных с наружной стороны от пластин с наименьшем радиусом концевых элементах, что приводит к стеканию жидкости в виде капель и струй. 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.
Сущность 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, выполненный шарообразной формы, содержащий центральную перегородку в виде круга со сквозными отверстиями, делящую элемент на два симметричных полушария, соединенную с расположенными симметрично с каждой из ее сторон,  параллельными тонкими ребрами переменной ширины, отличающийся от прототипа тем, что полушария разделены на равные секторы поперечными к центральной перегородке и сходящимися в ее центре, перемычками, а ребра выполнены в виде плоских пластин перпендикулярных к перегородке и симметрично расположенных относительно нее, а также расположенных параллельно друг другу, в пределах секторов, наклонно к перемычкам и зеркально относительно них в смежных секторах, с формированием гребня вдоль перемычки в месте сопряжения ребер смежных секторов, и образованием сходящихся к центру радиальных ребер, лежащих вдоль биссектрис углов секторов между смежными перемычками, при этом, в перегородке выполнены сквозные отверстия, расположенные вдоль перемычек.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели, полушария разделены перемычками на три равных сектора. При этом, в вершинах сопряжения ребер смежных секторов могут быть размещены цилиндрические стержневые элементы, а перемычки со стороны свободного конца, сопряженного с наименьшим в ряду вдоль нее угловым элементом, в виде сопряженных под углом ребер смежных секторов, предпочтительно, выполнена в виде сегмента круга.
В одном из возможных вариантов осуществления заявленной полезной модели, перемычки выполнены в виде узкой пластины прямоугольной формы со скругленными уголками. При этом, в другом возможном варианте осуществления, перемычки выполнены в виде поперечных по отношению к центральной перегородке тонких фигурных пластин в форме круга, одна из половин которого снабжена, симметричными относительно продольной оси, широкими прорезями для симметричного, относительного перегородки, размещения в полушариях, цилиндрических стержней вдоль выступов и ребер смежных секторов в пазах, при этом, вторая половина круга пластины выполнена глухой и образует радиальные ребра, лежащие вдоль биссектрисы угла секторов полушарий, симметрично распложенных относительно перегородки.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления в перегородке выполнены три сквозных отверстия, расположенные вдоль соответствующей каждому из них перемычки. При этом, сквозные отверстия, в одном из вариантов осуществления заявленного решения, могут быть выполнены, предпочтительно в форме круга, а в других вариантах осуществления, вытянутой формы, фигурной формы с лекальным сочленением элементов контура, в форме овала, многоугольника.
При этом, в одном из вариантов осуществления полезной модели, по периметру сквозных отверстий перегородки выполнена контурная отбортовка, в виде контурного ступенчатого выступа, которая в другом варианте осуществления, может быть выполнена фигурной и содержать два контурных ступенчатых выступа с выемкой между ними. В возможном варианте осуществления отбортовка также может быть выполнена с обеих сторон перегородки.
Параллельные ребра, предпочтительно, расположены друг от друга с шагом от 0,05 до 0,15 диаметра шарообразного элемента.
Согласно заявленному решению полезной модели, предпочтительно, ребра установлены на равном расстоянии, параллельно друг другу в пределах сектора и симметрично относительно перегородки, при этом, элементы в виде сопряженных под углом вдоль перемычек ребер смежных секторов расположены эквидистантно и параллельно друг другу.
Согласно заявленной полезной модели, элемент наполнителя, предпочтительно, изготовлен из полимерных материалов.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где
фиг.1 - общий вид шарообразного элемента наполнителя для тепломассообменных колонн;
фиг.2 - вид элемента наполнителя снизу;
фиг.3 - вид элемента наполнителя с лицевой стороны одной из симметричных полусфер;
фиг.4 – сечение вдоль одной из перемычек, выполненной круглой формы;
фиг.5 – поперечное сечение со стороны размещения двух сквозных отверстий перегородки.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один  из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели и поэтому не могут рассматриваться в качестве ограничений ее содержания, которое включает и другие варианты выполнения.
Осуществимость полезной модели
Элемент насадки выполнен шарообразной формы, из полимерных материалов. В сферической поверхности элемента образованы углубления 1, разделенные тонкими ребрами 2. Шарообразный элемент разделен на два полушария 3 сплошной круглой перегородкой 4, снабженной сквозными (проходными) отверстиями 5. В представленном примере осуществления (фиг.1, 3), полушария, конструкционно, выполнены симметричными относительно перегородки и разделены, на три равных сектора 7 перпендикулярными к перегородке и сходящимися в ее центре, перемычками 6. При этом, ребра 2 в пределах каждого сектора выполнены поперечными (размещенными перпендикулярно) по отношению к перегородке, и наклонными по отношению к смежным перемычкам, образующим границы сектора. В месте сопряжения ребер смежных секторов, вдоль перемычки,  сформирован угловой элемент с гребнем 8 в вершине угла, снабженным цилиндрическим стержнем 9, перпендикулярным к поверхности перегородки. Сквозные отверстия 5 перегородки 4 расположены вдоль перемычек и, в представленном на чертежах фиг.1, 3 примере осуществления, выполнены круглыми. При этом, перемычки 6 расположены на продольной оси сквозных отверстий 5, вдоль их диаметра.
В представленном на фиг. 1-5 варианте осуществления, перемычки 6 выполнены фигурной формы, а именно в форме круга, где в одном полукруге выполнены прорези 10, предназначенные для размещения в них ребер, а в другой половине круга перемычка выполнена глухой. Прорези, в рассматриваемом примере осуществления заявленной полезной модели, расположены поперечно и симметрично относительно центрального участка пластины, выполненного глухим и распложенного вдоль продольной оси пластины. При этом, с каждой стороны от центрально участка выполнено несколько поперечных прорезей, по числу ребер, расположенных параллельно и равномерно в пределах полукруга. Выступы, обрамляющие пазы, формируют место под установку цилиндрических стержней, размещаемых между сопрягаемыми ребрами смежных секторов. Таким образом, широкие прорези предназначены для симметричного (относительного перегородки) размещения в полушариях, вдоль выступов  - прорезей цилиндрических стержней, а в пазах -  ребер смежных секторов. Вторая половина круга, выполненная глухой, образует радиальные ребра, лежащие вдоль биссектрисы угла секторов полушарий, симметрично распложенных относительно перегородки. Наличие перемычек в форме круга, с одной стороны, увеличивает жесткость конструкции, предотвращая деформацию ребер элемента наполнителя под воздействием контактируемых потоков, а с другой стороны, за счет обтекаемой формы внешнего контура препятствует капельному уносу жидкости и позволяет увеличить поверхность контакта фаз. При этом, выбор в качестве конфигурации перемычки рассмотренной выше формой не ограничивается, и в качестве перемычек могут быть использованы перемычки, например, узкой прямоугольной формы с закругленными уголками, овальной формы, высота которой будет ниже уровня сферической поверхности элемента наполнителя или равна диаметру внешней сферической поверхности. При всем возможном разнообразии используемых типоразмеров перемычек 6, обеспечивающих возможность влияния на формирование свободного объема элемента наполнителя, требование к их 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.
Как следует из представленного на чертежах фиг. 1-5 примера осуществления заявленной полезной модели, на перемычке 6, на равном расстоянии друг от друга, закреплены тонкие ребра 2, выполненные в виде плоских тонких пластин, перпендикулярных перегородке и расположенных симметрично под углом относительно перемычки, таким образом, что в пределах сектора ребра распложены параллельно центральному радиальному  ребру, размещенному вдоль биссектрисы угла сектора, а вдоль перемычек, образующих сектор, соответственно и вдоль продольной оси сквозных отверстий, симметрично размещенные ребра смежных секторов выполнены зеркально наклонными к перемычке и сопряженными друг с другом, с формированием вдоль перемычки параллельных угловых элементов.  Вершины угловых элементов расположенных вдоль перемычки и снабжены тонкими цилиндрическими стержнями 10.
Параллельные ребра, предпочтительно, расположены на равном расстоянии друг от друга, с шагом от 0,05 до 0,15 диаметра шарообразного элемента. Минимальное значение шага между ребрами составляет 0,05 диаметра шарообразного элемента, а максимальное 0,15. При выполнении шага между ребрами 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 элемента наполнителя для насадочных колонн, с несколькими, в частности, тремя сквозными (проходными) отверстиями, расположенными вдоль перемычек на круглой перегородке, в сочетании с выполнением полушарий секторными, разделенными поперечными к центральной перегородке и сходящимися в ее центре, перемычками, а также выполнение ребер в виде параллельных, в пределах секторов, плоских пластин, расположенных под углом к перемычкам и зеркально относительно них в смежных секторах, с формированием гребня вдоль перемычки 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, например, трех, каналов, проходя через которые, поток газа дробится, что способствует многократному изменению направления движения газовых струй, а в случае применения проходных отверстий разных диаметров и форм, 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. При этом, выполнение не одной, как в решении прототипа, а нескольких, например, трех, перемычек перпендикулярных перегородке, при этом, с возможностью выполнения данных перемычек фигурной формы, например, в форме круга, а в другом, возможном варианте осуществления, с концевыми элементами, в виде сегментов круга, увеличивает интенсификацию массообмена, за счет увеличения крестообразных пересечений поверхностей. Дополнительно, данный эффект усиливается также и за счет размещения ребер с наибольшим радиусом вдоль биссектрис углов, образованных перемычками, секторов, создающих дополнительные лопасти для интенсификации процесса массообмена.
Секторальное разделение полушарий элемента с размещением ребер в пределах сектора параллельно и перпендикулярно перегородке и под углом к перемычке, в сочетании с упорядоченным размещением сквозных проходных отверстий, также способствует формирования слоя, состоящего из аналогичных элементов с равномерно распределенной порозностью и насыпной плотностью, что способствует более равномерному распределению среды в слое в процесс массобмена, а также способствует обеспечению устойчивой самоориентации элементов наполнителя по направлению к контактируемым потокам при загрузке в навал, что в совокупности увеличивает пропускную способность насадки, увеличивает эффективность процесса массообмена и снижает гидравлическое сопротивление. Одновременно, стержневые элементы, равномерно распределенные по объему элемента, также как и расположение ребер под углом к перемычкам, обеспечивает турбулизацию потоков и дополнительную интенсификацию массообмена.
При этом, согласно представленному примеру осуществления, сквозные отверстия 5 круглой перегородки 4 снабжены отбортовкой 11 в виде контурного ступенчатого выступа (наплыва), в частности, на представленном на фиг.3 примере осуществления, в форме кольцевого ступенчатого выступа фигурной формы, состоящего из сдвоенного кольцевого выступа, между кольцами которого размещена выемка 12.
Выполнение стержней цилиндрической формы, в несколько, равномерно распределенных, рядов по объему каждой полусферы, в сочетании с отбортовкой сквозных (проходных отверстий), 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, одновременно повышая эффективность массообмена
Элемент наполнителя может быть изготовлен по технологии формования под давлением (термопластавтомат) из пластмассы стойкой к агрессивной среде, например, 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. Выполнение шарообразного элемента из пластмассы стойкой к агрессивной среде позволяет увеличить срок его службы.
Элемент наполнителя для тепломассообменных колонн работает следующим образом.
При загрузке колонны шаровидными элементами, они, за счет самоориентации элемента, вследствие структурной организации полушарий, разделенных секторально, взаимно перпендикулярными перегородкой и перемычками с ребрами, где перемычки и центральные ребра (вдоль биссектрисы угла сектора) выполнены сходящимися к центру перегородки и смещены относительно друг друга на половину угла сектора, при свободном падении ориентируются с равномерным расположением элементов в слое, с горизонтальным расположением перегородки, в том числе и за счет  расположения стержней 10 и  отбортовки 11 вдоль продольной оси сквозных отверстий 5. При этом, в частности, за счет разделения полушарий на равные сектора и равномерное распределения по объему полушария перемычек, снабженных стержневыми элементами в углах сопряжения ребер смежных секторов, 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 aппарата, 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 ребрами в углублениях 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 снижения риска 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 и формой проходных отверстий, и скорости его движения. Перемычки предотвращают избыточную деформацию ребер, поддерживая стабильность сферической формы внешней поверхности.
Увеличенная за счет  параллельно-наклонных к перемычкам ребер 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.