НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам для проведения тепло- и массообменных процессов в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки жидкостей и газов при проведении процессов абсорбции и адсорбции.
Известны насадки, выполненные в виде тонкостенных колец, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца и изготовленные из керамики или фарфора, металла или полимеров (Рамм, В.М. Абсорбция газов; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976. - с. 312.; Насадки массообменных колонн. Под общей редакцией Д.А. Баранова. - М: Инфохим, 2009. - с.с. 17, 57, 58, 63, 64, 80, 111, 150.).
К недостаткам этих конструкций насадок относятся невысоко развитая поверхность колец, на которой происходят процессы тепло- и массообмена, и неподвижность этой поверхности во времени протекания этих процессов, что приводит к образованию застойных зон и снижению производительности.
Известен скруббер с подвижной насадкой, выполненной в виде цилиндрических колец, на боковой поверхности которых прорезана винтовая канавка (патент РФ №2280492, МПК B01D 47/14, B01D 53/18, 27.07.2006 г.). Известен скруббер с подвижной насадкой, выполненной в виде цилиндрических колец из мягких упругих материалов типа резины или полимеров, внутри каждого из которых установлены распорки в виде крестовины с различной длиной взаимно перпендикулярных плеч (патент РФ №107963, МПК B01D 53/18, 10.09.2011 г.).
К недостаткам данных конструкций контактных устройств относится небольшая поверхность насадок, выполненных в виде цилиндрических колец (с прорезанной на боковой поверхности каждого кольца канавкой или с установленной внутри каждого кольца распоркой в виде крестовины), и неподвижность этой поверхности, что снижает скорость протекания тепло- и массообменных процессов и производительность массообменных аппаратов с такими насадками.
Известен скруббер с подвижной насадкой, выполненной в виде цилиндрических колец из мягких упругих материалов типа резины или полимеров, внутри каждого из которых жестко закреплена распорка в виде оси, на которой установлена пропеллерная мешалка с возможностью свободного вращения (патент РФ №135532, МПК B01D 53/18, 20.12.2013 г.).
К недостаткам такой насадки относится высокое гидравлическое сопротивление, создаваемое установленными внутри каждого цилиндрического кольца пропеллерными мешалками, что снижает допустимый диапазон нагрузок по жидкости и газу массообменного аппарата с такой насадкой, что, в свою очередь, приводит к уменьшению скорости протекания тепло- и массообменных процессов и приводит к снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, относится насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого тел вращения из спиральной полосы, оба тела вращения имеют идентичную форму и выполнены в виде коаксиальных цилиндрических поверхностей, причем внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, а высота внутреннего и наружного тел вращения одинаковая (авторское свидетельство СССР №701675, МПК B01D 53/20, 05.12.1979 г.).
К недостаткам этой насадки относится недостаточное увеличение поверхности контакта фаз из-за выполнения обоих тел вращения из спиральной полосы, а также невозможности совершать колебания из-за жесткого соединения внешнего в внутреннего тел вращения друг с другом, что уменьшает интенсивность тепло- и массообменных процессов и приводит к снижению производительности.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение поверхности контакта фаз газового и жидкостного потоков.
Техническим результатом предлагаемой насадки для тепло- и массообменных аппаратов является увеличение производительности тепло- и массообменных процессов.
Технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены на торцевых частях посредством не менее двух пружин, при этом отношение наружного диаметра внутреннего кольца к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах
где h и H - соответственно высоты внутреннего и наружного колец.
Выполнение тел вращения в виде колец Рашига, соединенных в торцевых частях не менее чем двумя пружинами позволяет внутреннему кольцу совершать колебания под действием газового потока. Это приводит к тому, что гладкая пленка жидкости, стекающая по внутреннему кольцу также начинает колебаться вместе с ним, в результате чего на жидкостной пленки образуются волны, скорость течения и поверхность которых значительно больше скорости течения и поверхности гладкой пленки жидкости. Это обстоятельство приводит к увеличению интенсивности тепло- и массообмена на границе раздела фаз газового и жидкостного потоков, что, в свою очередь, приводит к увеличению производительности тепло- и массообменных процессов в целом. Выполнение внешнего и внутреннего колец Рашига таким образом, что отношение наружного диаметра d внутреннего кольца к внутреннему диаметру D внешнего кольца равно 0,7, позволяет выровнять площади свободных сечений внутреннего кольца и кольцевого зазора между внешним и внешним кольцами, что, в свою очередь, приводит к выравниванию скоростей газового и жидкостного потоков в этих сечениях, а также интенсивности тепло- и массообмена на границе раздела фаз обоих потоков, что приводит к возрастанию производительности тепло- и массообменных процессов в целом.
Увеличение верхнего предела отношения (1), равного 0,9, приводит к касаниям торцов внешних колец смежных насадочных тел, уложенных в навал, с внутренними кольцами, что препятствует колебаниям последних, снижает интенсивность тепло- и массообмена на границе раздела фаз и производительность тепло- и массообменных процессов в целом.
Уменьшение нижнего предела отношения (1), равного 0,8, приводит к уменьшению высоты и площади тепло- и массообменной поверхности внутренних колец, а значит, к уменьшению производительности тепло- и массообменных процессов.
Таким образом, соединение внешнего и внутреннего колец в торцевых частях не менее чем двумя пружинами, выполнение внешнего и внутреннего колец Рашига таким образом, что отношение наружного диаметра d внутреннего кольца к внутреннему диаметру D внешнего кольца равно 0,7, при отношении их высот, подчиняющимся условию (1), позволяет увеличить поверхность и скорость тепло- и массообмена на границе раздела фаз, что приводит к росту производительности тепло- и массообменных процессов в целом.
На фиг. 1 представлен общий вид в разрезе насадки с двумя пружинами. На фиг. 2 представлен общий вид в разрезе насадки с четырьмя пружинами.
Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного тела вращение 1 в виде кольца Рашига с внутренним диаметром D и высотой H и внутреннего тела вращения, выполненного также в виде кольца Рашига 2 с внешним диаметром d и высотой h. Отношение наружного диаметра (1 внутреннего кольца Рашига к внутреннему диаметру D наружного кольца Рашига равно 0,7, а отношение их высот подчиняется условию (1). Торцы обоих тел вращения 1 и 2 соединены между собой двумя (фиг. 1) или четырьмя (фиг. 2) пружинами 3. Насадка может укладываться в навал внутри аппарата или упорядоченно в ряды. В обоих случаях торцы наружных тел вращения (наружных колец) 1 не взаимодействуют с торцами внутренних тел вращения (внутренних колец) 2, и последние могут свободно колебаться на пружинах 3 внутри наружных тел вращения (наружных колец) 1.
Насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом. Насадка засыпается внавал или устанавливается в ряды внутри аппарата. Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ. Под действием потока газа каждое внутреннее кольцо 2 совершает колебания, которые передаются стекающей по нему пленки жидкости, тем самым увеличивая скорость ее течения по насадке и поверхность. Это обстоятельство приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа и жидкости и к увеличению производительности тепло- и массообменных процессов в целом. Так как высота h внутреннего кольца 2 меньше высоты H наружного кольца 1, и отношение этих высот соответствует условию (1), то смежные торцы наружного кольца 1 не соприкасаются с торцами внутреннего кольца 2, позволяя ему под действием потока газа совершать свободные колебания с высокой амплитудой. Это обстоятельство приводит к еще большему увеличению производительности тепло- и массообменных процессов. Механическую прочность предлагаемой насадки обеспечивают наружные кольца 1. Кроме того, при заявленном отношении наружного диаметра d внутреннего кольца 2 к внутреннему диаметру D наружного кольца 1 равного 0,7, площади свободных сечений внутреннего кольца 2 и кольцевого зазора между наружным 1 и внешним 2 кольцами равны, что обеспечивает одинаковые скорости газового и жидкостного потоков в этих сечениях, предотвращает образование застойных зон и увеличивает производительность тепло- и массообменных процессов.
Закрепление внутреннего кольца 2 внутри наружного 1 с помощью двух пружин в верхних и нижних торцах (фиг. 1) обеспечивает угловое смешение колец относительно друг друга. Использование в конструкции насадки четырех пружин, соединяющих верхние и нижние торцы внутреннего 2 и внешнего 1 колец (фиг. 2), позволяет закрепить кольца без их углового смещения относительно друг друга.
Таким образом, предлагаемая конструкция насадки для тепло- и массообменных процессов за счет выполнения тел вращения в виде наружного и внутреннего колец Рашига, соединенных на торцевых частях пружинами, при отношении наружного диаметра d внутреннего кольца к внутреннему диаметру D наружного кольца равном 0,7, а также при отношении высот внутреннего и внешнего колец, подчиняющимся условию (1), процессы тепло- и массопереноса идут при интенсивных колебаниях внутреннего кольца без образования застойных зон на большой поверхности тепло- и массопередачи, что увеличивает скорость тепло- и массопереноса и производительность тепло- и массообменных процессов в целом.