Насадка для тепломассообменных аппаратов

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам тепломассообменных аппаратов и может найти применение в химической, пищевой, нефтехимической, газоперерабатывающей, фармацевтической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки отходящих газов от вредных примесей.
Известны конструкции рулонных насадок, выполненных в виде спирально закрученных металлических листов (Насадки массообменных колонн для систем газ-жидкость / Ю. В. Китаин, В. Я. Филин. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1980 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая площадь поверхности контакта фаз и статичность работы насадки. Это приводит к малой скорости массопереноса между жидкой и газовой (паровой) фазами, снижению турбулизации фаз, и, как следствие, к снижению производительности массообменных процессов.
Известна конструкция насадки для тепломассообменных аппаратов, выполненная из листа, свернутого в спираль со струеобразными элементами на поверхности, причем оси струеобразных элементов направлены по касательной к винтовой линии на поверхности насадки (Патент СССР №899104, В01D53/20, 1982 г.)
Недостатком данной конструкции насадки является то, что в процессе эксплуатации тепломассообменного аппарата в насадке образуются отложения, что приводит к росту гидравлического сопротивления насадки и нарушению устойчивого режима работы аппарата в целом.
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, выполненных из одного и того же материала с эффектом памяти, внутреннее тело вращения состоит из перфорированной цилиндрической части с лепестками, отогнутыми внутрь (Полезная модель РФ №196444, B01J 19/30, 2020 г.).
Недостатком данной конструкции насадки является сложность ее изготовления и необходимость упорядоченной укладки в тепломассообменный аппарат  для осуществления протекающих в нем процессов, что приводит к увеличению времени обслуживания аппарата и снижению его производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является насадка для тепломассообменных аппаратов, выполненная в виде цилиндрического кольца с высотой, равной диаметру, с расположенным внутри элементом в виде спирали Архимеда, наружный конец которой прикреплен к кольцу (Патент СССР №1627229, B01J 19/30, 1991 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что в процессе эксплуатации, при изменении физических параметров рабочих сред в слое насадки, не поддерживается оптимальный режим контактирования рабочей жидкости с газом (паром), а в зазорах насадки образуются отложения, которые приводят к прекращению режима работы насадки, ее зарастанию  и, как следствие, снижению устойчивости и эффективности процесса массопереноса.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепломассообменных аппаратов является увеличение их производительности.
Технический результат достигается тем, что насадка для тепломассообменных аппаратов, выполнена в виде цилиндрического кольца с высотой, равной диаметру, с расположенным внутри элементом в виде спирали Архимеда, причем спираль Архимеда изготовлена из материала с эффектом памяти, цилиндрическое кольцо образовано внешним витком спирали, а на ее поверхности сформированы наклонные каналы с донными отверстиями.
Выполнение спирали Архимеда из материала с эффектом памяти при повышении температуры в аппарате приводит к раскручиванию внутренних витков спирали Архимеда с увеличением расстояния между ними. При этом уменьшается диаметр центрального проходного отверстия, увеличиваются гидравлическое сопротивление и удерживающая способность насадки. Эффект памяти формы в материале определяет его возврат к первоначальной форме при нагреве после пластической деформации (Сплавы с эффектом памяти формы / Под ред. Фунакубо X. - М.: Металлургия. 1990 г.).
Наличие на поверхности насадки наклонных каналов с донными отверстиями повышает степень диспергирования и турбулизации контактирующих фаз, повышая производительность массообменного аппарата.
Выполняются каналы просечкой полосы из материала с памятью с одновременным выдавливанием наклонной поверхности на ней, что делает этот процесс безотходным и приоритетным в сравнении с вырезанными в насадке отверстиями. Каналы с донными отверстиями могут быть расположены на ленте упорядоченно или в шахматном порядке, ось каналов может быть расположена перпендикулярно или наклонена относительно плоскости ленты. Количество, форма и расположение таких каналов с донными отверстиями зависят от геометрических и технологических характеристик тепломассообменного аппарата. Донные отверстия на поверхности спирали Архимеда образуют сопла, проходя через которые струи жидкости и газа (пара) меняют свои кинетические характеристики, что способствует увеличению поверхности контакта фаз и повышению производительности тепломассообменного аппарата.
В массообменных аппаратах в процессах массопереноса температура рабочей жидкости изменяется как по высоте аппарата, так и в горизонтальной плоскости от периферии к центру. Раскручивание спирали Архимеда происходит в наиболее нагретых узлах аппарата. При повышении температуры рабочей жидкости происходит уменьшение ее вязкости и плотности. Жидкость стекает по насадке, и процесс массопереноса идет в малоэффективном пленочном режиме. При раскручивании спирали Архимеда и уменьшении проходного сечения центрального отверстия насадки, рабочая жидкость задерживается в слое насадки и массообменный процесс идет в высокоэффективном режиме эмульгирования. Таким образом, происходит саморегулирование проходного сечения насадки при неустойчивом температурном режиме работы аппарата.
Кроме того, в процессе эксплуатации насадка начинает работать в динамическом режиме, что приводит к увеличению скорости массообменных процессов и самоочищению насадки, и в целом повышается производительность тепломассообменного аппарата.
Насадка проста в изготовлении. Заявленная конструкция позволяет нивелировать застойные температурные области в слое насадки за счет динамической работы насадки и турбулизации рабочих сред. Подвижная динамическая насадка имеет высокую смачиваемую поверхность, сбивает границы раздела фаз и приводит к интенсификации массопереноса в процессе работы тепломассообменного аппарата, что повышает его производительность.
На фиг. 1 изображена предлагаемая конструкция насадки при исходных условиях в аксонометрии, на фиг 2 - конструкция насадки в нагретом состоянии.
Насадка для тепломассообменных аппаратов выполняется из полосы, свернутой в спираль Архимеда 1. Внешний виток спирали присоединен к поверхности насадки, образуя кольцо 2. Внутренние витки 1 спирали насадки в исходном состоянии образуют полый цилиндр. На полосе выполнены наклонные каналы 3 с донными отверстиями, ось которых может быть расположена перпендикулярно или  наклонена относительно полосы.
Изготовление насадки из материала с эффектом памяти осуществляют следующим образом:
на плоской листовой заготовке (полосе) просекают прорези и формируют, например выдавливанием, наклонные каналы 3 с донными отверстиями;
заготовку со сформированными на ней каналами 3 скручивают в спираль Архимеда 1 при температуре, соответствующей условиям работы аппарата в исходном состоянии;
закрепляют конец спирали Архимеда 1 с образованием кольца 2;
затем спираль раскручивают, перемещая ее конец к центру кольца, так, чтобы увеличилось расстояние между ее витками, и нагревают до той максимальной температуры, при которой предполагается эксплуатация насадки, после чего охлаждают до температуры окружающей среды.
В последующем в рабочих условиях при нагреве происходит самостоятельное раскручивание спирали Архимеда.
Насадка для тепломассообменных аппаратов работает следующим образом. Сверху насадка орошается рабочей жидкостью, а снизу подается газ (пар). При увеличении температуры жидкости, и, соответственно, уменьшении ее вязкости и плотности, внутренние витки насадки, образующие спираль Архимеда 1, обладая эффектом памяти, раскручиваются по направлению к оси насадки, увеличивая шаг спирали. Площадь центрального отверстия уменьшается, что приводит к возрастанию гидравлического сопротивления в слое насадки, задерживает рабочую жидкость, сохраняет оптимальный режим работы насадочного тепломассообменного аппарата.
Таким образом, поддерживается постоянное время контакта рабочей жидкости с газом (паром), что интенсифицирует скорость тепломассообмена между жидкой и газовой фазами и в целом приводит к росту производительности.
При снижении температуры вязкость рабочей жидкости возрастает, Внутренние витки насадки спираль Архимеда 1 закручиваются, принимая свое исходное положение, проходное сечение центрального отверстия насадки увеличивается. Это приводит к саморегулированию уровня жидкости в насадочном слое тепломассообменного аппарата, нивелирует превышения уровня, которое в свою очередь может привести к застаиванию жидкости в слое насадке и нарушению устойчивого режима работы аппарата.
Рабочая жидкость, стекая по поверхности кольца 2 и по внутренним виткам спирали Архимеда 1 насадки, попадает в наклонные каналы с донными отверстиями 3. В каналах рабочая жидкость меняет свою скорость и направление, происходит дополнительная турбулизация жидкостно-газового потока.
Изменение расстояния меду витками спирали Архимеда в ходе технологического процесса приводит к динамическому режиму работы тепломассообменного аппарата. Причем внешняя поверхность насадки, выполненная в виде кольца 2, обеспечивает определенную жесткость насадки, сохранение ее цилиндрической формы, что предупреждает нежелательное изменение механических нагрузок на конструктивные элементы тепломассообменного аппарата.
Для изготовления опытного образца одного элемента насадки использовали полосу, выполненную из титанового сплава ВТ-16, проявляющнго эффект памяти, длиной 250 мм шириной 25 мм и толщиной 0,2 мм.
Вдоль полосы с помощью пробойника симметрично были выполнены наклонные каналы с донными отверстиями.
Из полученной полосы были изготовлены элементы насадки.
При температуре 20÷25°С полоса была свернута в спираль на стальной оправке диаметром 20 мм.  Последний виток спирали был закреплен контактной сваркой на предпоследнем витке с помощью специального приспособления, обеспечивающего электрическую изоляцию его поверхности от предыдущих витков спирали и являющегося электродом зажимного устройства аппарата контактной сварки.
После снятия с оправки внутренняя часть элемента насадки  за счет упругости материала немного раскрутилась.
Полученные таким образом элементы насадки соответствовали техническому решению, принятому в качестве прототипа.
Они в последующем укладывались в массообменный аппарат колонного типа, в котором определялись технологические характеристики, получаемые при  абсорбции углекислого газа из смеси с воздухом водным раствором моноэтаноамина.
Также  были произведены дополнительные операции по изменению конструкции элементов насадки таким образом, чтобы они  соответствовали предлагаемому техническому решению.
Для этого элемент насадки  зажимался  в специальной оправке,  а внутренний конец спирали  скручивался, таким образом, чтобы витки спирали равномерно распределились по внутреннему сечению кольца. После чего данное состояние элемента насадки  жестко фиксировалось.
Затем оправка с элементом насадки помещалась в термошкаф, в котором в течение 10 минут выдерживалась при температуре 50°С.
После выдержки в термошкафу элемент насадки быстро извлекался из оправки и оставлялся для естественного охлаждения до комнатной температуры 20-25°С. При этом спираль раскручивалась, увеличивая проходное сечение внутри кольца.
При последующем нагревании элемента насадки происходило скручивание спирали и ее витки равномерно заполняли все кольцевое сечение, а при охлаждении наоборот - спираль раскручивалась, и центральное отверстие в кольцевом сечении увеличивалось.
Были проведены две серии экспериментов по исследованию процесса абсорбционной очистки воздуха от углекислого газа.
В одной серии использовались насадочные элементы, которые  не подвергались термообработке.
Элементами насадки заполнялась лабораторной абсорбционная колонна внутренним диаметром 100 мм и высотой 600 мм.
Элементы насадки укладывались послойно регулярным образом, так чтобы их касание осуществлялось по вертикальной образующей. В  слое размещалось 14 элементов. Каждый последующий слой  был смещен относительно предыдущего на величину равную половине диаметра элемента насадки.
В качестве абсорбента использовался 20% водный раствор  моноэтаноламина. Воздух, насыщенный углекислым газом, подавался в колонну под избыточным давлением в 0,1 МПа.
В другой серии экспериментов использовались элементы насадки,  подвергнутые вышеописанным технологическим операциям, в результате которых были получена насадка, соответствующая заявляемой  полезной модели.
Эксперименты для обеих серий проводились при одинаковых параметрах: начальной концентрации углекислого газа в воздушно-газовой смеси, его расходе, температуре и давлении в колонне, расходе абсорбента.
Было установлено, что конечная концентрация углекислого газа в очищенном воздухе при использовании насадки по заявляемой полезной модели существенно ниже, чем при использовании насадки, принятой за прототип.
Пересчет на значение производительности, при условии обеспечения одинаковой степени очистки, показал, что производительность массообменного аппарата с насадкой по заявляемой полезной модели на 12% выше, чем у аппарата с насадкой, принятой за прототип.
Проведенные исследования позволили установить, что применение предлагаемой насадки повышает производительность аппарата за счет повышения эффективности насыщения абсорбента углекислым газом, вследствие увеличения коэффициентов массопередачи и удерживающей способности насадки.
Таким образом, выполнение насадки для тепломассообменных аппаратов в виде спирали Архимеда, внешний виток которой соединен с поверхностью насадки и образует кольцо, и выполнение спирали Архимеда из материала с эффектом памяти, а также формирование на ее поверхности наклонных каналов с донными  отверстиями, позволяет поддерживать оптимальный режим работы насадочного аппарата в широком диапазоне физических параметров рабочих сред, увеличивает скорость процесса массопереноса, приводит к самоочищению насадки, нивелирует явление застойных зон в слое насадки, что в целом повышает производительность тепломассообменного аппарата.