Кольцеобразная насадка для осуществления процессов тепло- и массообмена

Кольцеобразная насадка для осуществления процессов тепло- и массообмена предназначена для использования в аппаратах химической технологии, промышленной экологии и энергетики.
Известна насадка, выполненная в виде колец Рашига, у которых высота равна диаметру (см. Сокол Б.А., Чернышев А.К., Баранов Д.А. и др. Насадки массообменных колонн // Под ред. Д. А. Баранова. М. 2009 358 с.)
Недостатком данной насадки при ее загрузке в аппарат внавал является то, что она преимущественно укладывается так, что от % до % элементов этой насадки оказываются ориентированными либо горизонтально, либо под небольшим углом к горизонтальной плоскости. Поэтому внутренняя полость этих элементов кольцевой насадки практически не омывается взаимодействующими потоками газа и жидкости, что существенно снижает эффективность процессов тепло- и массообмена (см. Каган А.М., Лаптев А.Г., Пушнов А.С., Фарахов М.И. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Казань: Отечество, 2013. 454 с.).
о
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является кольцеобразная насадка, выполненная из полосы прямоугольной формы, противоположные концы которой соединены между собой с поворотом на 180 друг относительно друга (см. Авторское свидетельство СССР № 631185, кл. B01D 53/20). Эта кольцеобразная насадка позволяет уменьшить отмеченный выше недостаток и увеличить омываемость внутренней поверхности элементов насадки. Однако механическая прочность элементов этой насадки недостаточна и при загрузке в промышленные колонные аппараты большой высоты часть элементов такой насадки, расположенная в нижнем ярусе колонного аппарата, сминается, что отрицательно влияет на гидродинамику осуществляемого технологического процесса.
Для исключения этого недостатка предлагается кольцеобразную насадку выполнять из полосы заготовки прямоугольной формы, согнутой пополам, образующей в своем поперечном сечении V-образный профиль. Это позволяет увеличить механическую прочность элементов насадки и предотвратить их сминаемость в промышленных колонных аппаратах большой высоты.
p
p
Выполнение элементов кольцеобразной насадки из полосы заготовки прямоугольной формы с величиной отношения высоты элементов насадки – Hр к длине полосы заготовки – L в пределах от (H/L) = 0,11 до (H/L) = 0,04 позволяет увеличить эффективность процессов тепло- и массообмена на 18 ÷ 24 %.
p
Общий вид предлагаемой кольцеобразной насадки показан на фиг. 1. На фиг. 2 показана полоса заготовки 1, согнутая пополам. Предлагаемая кольцеобразная насадка выполнена из полосы заготовки 1 прямоугольной формы. Длина полосы заготовки 1 равна L мм, а высота элемента насадки составляет H мм (см. фиг. 2).
ж
0
0
Результаты гидродинамических испытаний предлагаемой насадки при различных плотностях орошения Q представлены в виде графиков зависимости (ΔP/H) = f(W) на фиг. 3. Здесь (ΔP/H) – относительное гидравлическое сопротивление слоя насадки ΔP в расчете на высоту слоя H = 1 м, Па/м. W – скорость газового потока в расчете на полное сечение пустого аппарата, м/с. Цифрами 2÷7 на фиг. 3 показаны данные для следующих плотностей орошения:
2 - Q<sub>ж</sub> = сухая насадка
3 - Q<sub>ж</sub> = 5 м<sup>3</sup>/(м<sup>2</sup>ч)
4 - Q<sub>ж</sub> = 10 м<sup>3</sup>/(м<sup>2</sup>ч)
5 - Q<sub>ж</sub> = 14 м<sup>3</sup>/(м<sup>2</sup>ч)
6 - Q<sub>ж</sub> = 19 м<sup>3</sup>/(м<sup>2</sup>ч)
7 - Q<sub>ж</sub> = 24 м<sup>3</sup>/(м<sup>2</sup>ч)
Предлагаемая насадка обладает уникальным свойством самоориентации, при загрузке внавал, что обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление, хорошую омываемость внутренней поверхности и высокую эффективность технологического процесса.
Выполнение кольцеобразной насадки из полосы прямоугольной формы согнутой пополам, образующей в своем поперечном сечении V-образный профиль позволяет увеличить механическую прочность элементов насадки при одновременном использовании для их изготовления тонких металлических листов. В результате удается предотвратить смятие элементов насадки, расположенных в нижнем ярусе колонного аппарата с насадкой и в целом уменьшить насыпной вес предлагаемой насадки.
p
p
p
p
p
p
Выполнение элементов кольцеобразной насадки из полосы заготовки прямоугольной формой с величиной отношения высоты элемента насадки - Hк длине полосы заготовки – L в пределах от (H/L) = 0,11 до (H/L) = 0,04 позволяет увеличить эффективность процессов тепло- и массообмена за счет максимального использования так называемых «концевых эффектов». В указанных пределах изменения величины (H/L) при прочих равных условиях, когда скорость процесса лимитируется массоотдачей в жидкой фазе, с уменьшением высоты элемента насадки Hот 15 до 5 мм объемные коэффициенты массоотдачи существенно возрастают. Однако при H < 5 мм из-за значительного возрастания числа концевых эффектов значительно возрастает степень турбулизации газового потока и резко возрастает гидравлическое сопротивление слоя насадки.
p
Напротив, при увеличении высоты элементов насадки H > 15 мм гидравлическое сопротивление слоя насадки уменьшается, но и рост эффективности технологического процесса также заметно падает.
Геометрические характеристики предлагаемой насадки представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Геометрические характеристики предлагаемой насадки
№ п/п
Размеры элементов насадки, мм
Удельная поверхность a, м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
Порозность ε, м<sup>3</sup>/м<sup>3</sup>
Эквивалентный диаметр канала насадки d<sub>e</sub>, м
Число элементов насадки в V =1 м<sup>3</sup>N шт/ м<sup>3</sup>
1
50×15×0,2
160
0,9878
0,025
37700
2
50×10×0,2
170
0,9863
0,023
59400
3
50×5×0,2
179
0,9848
0,022
123000