Насадка тепломассообменного аппарата

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции массообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых в процессах абсорбции, скрубберных процессах, испарительном охлаждении для реализации контакта фаз между жидкостью и газовым потоком.
Известны конструкции насадочных устройств, состоящих из геометрических элементов различной конфигурации и предназначенных для развития поверхности контакта фаз между жидкостью и газовым потоком (Насадки массообменных колонн. Б.А. Сокол, А.К. Чернышев, Д.А. Баранов [и др.]; под ред. Д.А. Баранова. - М., 2009).
К причине, препятствующей достижению заданного технического результата, относится низкая интенсивность тепломассообменных процессов из-за устойчивых пленочных режимов течения.
Известна конструкция регулярной массообменной насадки, включающей пакеты параллельных листов, массообменные поверхности которых образуют объемно-секционированное пространство, при этом листы в пакетах насадки расположены горизонтально, а массообменные поверхности каждого листа выполнены в виде перфорированных отгибных козырьков с гофрированной поверхностью, расположенных рядами с противоположным направлением отгиба упомянутых козырьков в смежных рядах (Патент RU №2006284, МПК B01J 19/32, 1994).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокое гидравлическое сопротивление восходящему потоку газа и недостаточное развитие поверхности контакта фаз (недостаточная интенсивность процесса массопереноса).
Известна конструкция регулярной насадки для массообменных аппаратов, состоящей из горизонтально установленных гофрированных лент, вертикальных плоских металлических сеток, каркаса, при этом вертикальные плоские сетки крепятся на горизонтальных стержнях каркаса, расположенных в шахматном порядке, причем вертикальные листы сетки располагают между вертикальными рядами лент, а ребро нижнего основания вышележащей ленты находится на одном уровне с ребром верхнего основания нижележащей ленты. (Патент RU №2467792, МПК B01J 19/32, 2012).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокое гидравлическое сопротивление восходящему потоку газа и отсутствие возможности создания развитого капельного режима течения.
Известна конструкция элемента насадки для массообменных и сепарационных аппаратов, содержащего набор параллельно расположенных стержней, и пластины с отверстиями, через которые пропущены стержни, при этом пластины снабжены отверстиями, свободными от стержней, и перегородками, установленными сверху и по всему периметру пластин, пластины установлены по высоте элемента на расстоянии друг от друга, например, с каскадным расположением относительно друг друга (Патент RU №2124394, МПК B01J 19/32, 1999).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокое гидравлическое сопротивление насадки при различных гидравлических режимах работы и низкая интенсивность тепломассообменных процессов из-за отсутствия возможности создания развитого капельного режима течения.
Наиболее близким техническим решением является элемент насадки для массообменного аппарата, содержащий набор параллельно расположенных стержней, на которых с каскадным расположением относительно друг друга вершиной вниз зафиксированы пластины параболической формы с зубчатыми краями и со свободными от стержней отверстиями (Патент RU №142483, МПК B01J 9/32, 2014).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся низкая интенсивность тепломассообменных процессов из-за устойчивости пленок жидкости на поверхности элементов насадок и отсутствия возможности создания развитого капельного режима течения.
Задачей является разработка конструкции элемента насадки тепломассообменного аппарата, обеспечивающего развитый капельный режим течения жидкости.
Техническим результатом является интенсификация процессов тепломассообмена, повышение энергоэффективности и производительности массообменных аппаратов.
Поставленный технический результат достигается при использовании насадки тепломассообменного аппарата, содержащей набор закрепленных на каркасе параллельных стержней, на которых каскадно относительно друг друга расположены параболические пластины со свободными от стержней отверстиями, зафиксированные на стержнях в области вершин, при этом стержни выполнены в виде упругих элементов.
Насадка тепломассообменного аппарата, характеризующаяся тем, что стержни выполнены в виде упругих струн.
Насадка тепломассообменного аппарата, характеризующаяся тем, что стержни выполнены в виде пружин.
Разработанная тепломассообменная насадка представляет собой параллельные упругие (гибкие) стержни, на которых закреплены пластины параболической формы, изготовленные из нержавеющей стали. Стержни проходят через вершину пластины. Пластины расположены на стержнях каскадно относительно друг друга, с заданным шагом. Стержни крепятся к каркасу, который придает жесткость конструкции и с помощью которого можно собирать насадку секциями круглого или квадратного сечения, что облегчает ее монтаж в аппараты. Установка пластин параболической формы вершиной вниз (в условиях тепломассообменного аппарата - навстречу газовому потоку) позволяет создать аэродинамически обтекаемую конфигурацию насадки, что существенно снижает гидравлическое сопротивление восходящему газовому потоку и энергетические затраты на проведение массообменного процесса. Ориентация пластин тепломассообменной насадки вершиной вверх (в условиях тепломассообменного аппарата - навстречу потоку жидкости) позволяет обеспечить достаточную удерживающую способность по жидкости. Таким образом, в зависимости от ориентации пластин в пространстве, насадка может служить как для процесса ректификации в отгонной колонне, так и для испарительного охлаждения, абсорбции и мокрой очистки газов.
Сущностью заявленной насадки тепломассообменного аппарата является конструкция, обеспечивающая эффект колебаний упругих стержней, на которых закреплены параболические пластины. Эффект колебаний становится возможен благодаря выполнению стержней в виде упругих элементов, в частности, в виде упругих струн или в виде пружин, что обеспечивает разнонаправленность колебаний. В зависимости от конкретной задачи, стержни могут быть выполнены и в виде других упругих элементов.
Колебания упругого стержня передаются пластине, в результате чего капли, интенсивнее срываются (стряхиваются) с пластины, преодолевают секцию, соударяются со следующей пластиной, дробятся и обновляют свою поверхность тепломассопередачи. Эти циклы повторяются непрерывно по всей высоте насадки. Колебания проявляются при малейших движениях воздуха и усиливаются при увеличении расхода воздуха.
Эффект колебаний приводит к разрыву пленок на поверхностях пластин насадки и поддержанию устойчивого капельного режима течения по всей высоте насадки. Таким образом, возбуждаемые упругим стержнем колебания приводят к значительной интенсификации тепломассообменных процессов.
На фиг. 1 представлен общий вид насадки тепломассообменного аппарата с ориентацией пластин вершиной вниз.
На фиг. 2 представлен общий вид насадки тепломассообменного аппарата с ориентацией пластин вершиной вверх.
На фиг. 3 представлена схема направлений колебаний пластины при выполнении стержня в виде упругой струны.
На фиг. 4 представлена схема направлений колебаний пластины при выполнении упругого стержня в виде пружины.
На фиг. 5 представлена схема блока насадки тепломассообменного аппарата.
Насадка тепломассообменного аппарата состоит из параллельно расположенных упругих стержней 1 и пластин 2 параболической формы, установленных на стержнях 1 с каскадным расположением относительно друг друга и ориентированных навстречу капельному потоку: ориентация пластин 2 тепломассообменной насадки вершиной вверх, в условиях тепломассообменного аппарата, - навстречу потоку жидкости, ориентация пластин 2 вершиной вниз - навстречу газовому потоку. Расстояние между пластинами 2 насадки может варьироваться в зависимости от развиваемого режима и регулируется фиксаторами 3 установленными под каждой пластиной, чтобы обеспечить при необходимой эффективности массопереноса минимальное гидравлическое сопротивление газовому потоку. Пластины 2 выполнены со свободными от стержней отверстиями 4.
Стержни 1 выполнены в виде упругих элементов, в частности в виде упругих струн или в виде пружин. Стержни 1, выполненные в виде упругих струн, усиливают капельный режим течения сквозь слой насадки посредством продольных и изгибных колебаний. Стержни 1, выполненные в виде пружин испытывают продольные, крутильные и изгибные колебания, тем самым развивая еще более интенсивный капельный режим течения сквозь слой насадки.
Насадка массообменного аппарата работает следующим образом. Жидкость орошает поверхность верхних пластин 2 насадки, которые начинают развивать капельный режим течения сквозь слой насадки.
Воздушный поток огибает пластины 2 насадки и возбуждает колебания гибких стержней 1, даже при малых скоростях воздушного потока. Колебания усиливаются по мере роста скорости воздушного потока. В зависимости от характера исполнения стержней 1, они могут совершать колебания в различных направлениях и разрывать пленки на поверхности пластин 2 насадки, интенсифицируя процесс тепломассопередачи.
Данный эффект колебаний стержней 1 и пластин 2 тепломассообменной насадки позволяет существенно интенсифицировать тепломассообменные процессы и развивать капельный режим течения. Двигаясь от ступени к ступени капли замедляют свое движение, дробятся, перемешиваются, разбиваются и обновляют поверхность контакта фаз, эти циклы повторяются по всей высоте насадки. Газ контактирует с потоком жидкости на поверхности капель и, огибая аэродинамически обтекаемые насадки 2, совершает волновое течение. Поверхность контакта фаз между капельным и газовым потоками достаточно велика, как и скорость осаждения капель жидкости, что приводит к интенсификации процесса массопереноса, кроме того пластины 2 параболической формы являются ступенями смешения (концентрирования) и обновления поверхности контакта. Насадка за счет установки пластин 2 параболической формы вершиной вниз, ориентированных навстречу капельному потоку жидкости, обладает высокой удерживающей способностью, что повышает время пребывания капель жидкости в массообменном аппарате. Кроме того, пластины 2 параболической формы элемента насадки расположены (пространственно ориентированы) таким образом, чтобы при развитии капельного режима орошения препятствовать проскоку капель через ступень, увеличивая время пребывания и обновляя поверхность контакта. Регулируемое фиксаторами 3 расстояние между пластинами 2 позволяет при необходимой интенсивности массопереноса обеспечить минимальное гидравлическое сопротивление газовому потоку и энергетические затраты.
Данная насадка очень проста в исполнении и поддается тонкому регулированию под требования конкретного тепломассообменного процесса и аппарата, т.к. конструктивное исполнение и конфигурация пластин и расстояния между ними могут быть различны и легко регулируемы.
Таким образом, выполнение насадки тепломассообменного аппарата в виде каскада пластин, установленных на параллельных упругих стержнях, развивает различные колебания пластин насадки, что приводит к существенной интенсификации процессов тепломассообмена и к созданию еще более развитого капельного режима течения.