Насадка для массообменного аппарата

Предлагаемое техническое решение относится к насадке для массообменных аппаратов и может найти применение  в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, пищевой, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов.
Известна насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, стержень и перфорированные диски, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет d/D=0,94÷0,98, при этом стержень установлен осесимметрично с аппаратом и имеет возможность осевого перемещения, причем нижний торец стержня жестко соединен с верхним перфорированным диском, а верхний торец - с механизмом осевого перемещения [п. м. №117310, МПК В01 D45/00, 2012].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся большие затраты времени на очистку проволочной насадки от налипшей окалины, сажи и других отложений, что уменьшает основное время работы, тем самым снижая производительность.
Известна насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку, фиксирующие элементы в виде болтов, установленных равномерно по окружности перфорированных дисков в проволоке и закрепленных на концах дисками, причем отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет:
где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, мм, при этом  концы проволоки подключены к противоположным полюсам источника постоянного тока, а поверхность проволоки представляет собой чередующиеся участки, покрытые электроизоляционным материалом и свободные от изоляции, при этом отношение длины участка проволоки, свободного от изоляции, к диаметру наружного сечения изоляции составляет:
m
где l и d - соответственно длина свободного от изоляции участка проволоки и диаметр наружного сечения изоляционного материала, мм [п. м. №154394, МПК B01J 19/32, 2015].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность удаления ржавчины, накипи, солевых и других термических отложений с поверхности проволки и изоляции, что увеличивает время простоя, уменьшает основное время работы, тем самым снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по назначению  и совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип, является  насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, фиксирующие элементы в виде болтов, установленных равномерно по окружности перфорированных дисков в проволоке или полимерных мононитях и закрепленных на концах дисков с отношением диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата:
d/D=0,94÷0,98,
где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, при этом каждый диск представляет собой сегмент сферы и верхний диск установлен в аппарате с образованием выпуклой поверхности, а нижний - с образованием вогнутой поверхности, причем отношение радиуса сферы к внутреннему диаметру аппарата составляет:
где R - радиус сферы [п. м. №117317, МПК B01J 19/32, 2012].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность и длительность удаления ржавчины, накипи, сажи, солевых отложений и других продуктов деструкции с поверхности проволок или полимерных нитей. Это снижает основное время работы, а значит  производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку, фиксирующие элементы в виде болтов, установленных равномерно по окружности перфорированных дисков в проволоке и закрепленных на концах дисков с отношением диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата, подчиняющемуся условию:
(1)
где d и D – соответственно диаметр диска и внутренний диаметр           аппарата, м; причем каждый диск представляет собой сегмент сферы, а верхний диск установлен в аппарате с образованием выпуклой поверхности, а нижний  - с образованием вогнутой поверхности с отношением радиуса сферы к внутреннему диаметру аппарата, подчиняющемуся условию:
(2)
где R- радиус сферы, м; причем проволока выполнена из материала, обладающего эффектом памяти.
Выполнение проволоки насадки из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет при повышении температуры увеличивать длину проволоки на 20-30% и снижать ее диаметр на 4,5-5,5% (при сохранении объема и плотности), что приводит к растрескиванию и самопроизвольному удалению окалины, ржавчины, сажи и других отложений с поверхности проволоки. Это уменьшает время удаления этих отложений и способствует повышению основного времени работы, а значит и производительности в целом.
В качестве материала обладающего эффектом памяти можно использовать нержавеющую сталь 12Х18Н10Т, медно-алюминиевый-никелевый сплав, никель-алюминиевый сплав с 36,8% Al, марганцово-медный сплав с 90% Mn и др. [Физические эффекты в машиностроении. Справочник/ под ред. В.А. Лукьянца. – М.: Машиностроение, 1993. – с.149-152].
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата в разрезе.
Насадка состоит из проволоки 1, выполненной из материала, обладающего эффектом памяти, различной толщины и профиля, верхнего 2 и нижнего 3 перфорированных дисков, выполненных в виде сегмента сферы с диаметрами d, подчиняющимися отношению (1). Верхний диск 2 установлен в аппарате 4 с образованием выпуклой поверхности, а нижний 3- с образованием вогнутой поверхности. Нижний диск 3 опирается на опоры 5, закрепленные внутри аппарата 4. Положение верхнего диска 2, относительно нижнего диска 3, регулируется с помощью болтов 6, равномерно установленных по окружности дисков 2 и 3, гайками 7, при этом верхний диск 2 и нижний диск 3  образуют вогнутую поверхность с отношением радиуса сферы R к внутреннему диаметру аппарата D, подчиняющимися отношению (2).
Насадка для массообменного аппарата работает следующим образом.
Гайки 7, закручиваются на болтах 6, обеспечивая необходимую высоту Н проволоки 1 в насадке, создавая в ней заданный свободный объем и удельную поверхность в центральной части аппарата 4. Так как высота насадки между сегментами сфер, образованных верхним 2 и нижним 3 дисками, равномерно уменьшается от центра к стенкам аппарата 4, то свободный объем насадки также равномерно уменьшается, а удельная поверхность насадки от центра к стенкам аппарата 4 увеличивается. Это предупреждает возможность перетекания жидкости, подаваемой сверху вниз от центра к стенкам аппарата 4, а газа, подаваемого снизу вверх наоборот от стенок к центру, то есть нивелирует пристенный эффект в массообменных аппаратах с насадкой.  После накопления на поверхности проволоки 1 продуктов деструкции, сажи или других отложений работу аппарата останавливают. Гайки 7 откручиваются, под действием упругих сил проволока 1 распрямляется, приподнимая верхний диск 2, а сама проволока 1 переходит в свободное состояние. Пропускают снизу вверх горячий воздух, который нагревает проволоку 1. Так как она выполнена из материала, обладающего эффектом памяти, то в горячем состоянии она удлиняется на 20-30% с уменьшением толщины на 4,5-5,5% (без изменения объема и плотности). Отложения, образовавшиеся на поверхности проволоки 1, растрескиваются, отламываются и потоком горячего воздуха выдуваются из объема проволочной насадки.
Пример. В колонне с проволочной насадкой 1, выполненной из материала, обладающего эффектом памяти (например, 12ХН18Т), проводят массообменный  процесс абсорбции сероводорода из попутных газов нефтепереработки водным раствором моноэтаноламина при 20°С.
Проволока 1 перед загрузкой в качестве насадки в аппарат была нагрета до 100-120°С и вытянута на 25% с уменьшением диаметра с 0,5 мм до 0,45 мм. После охлаждения она приняла первоначальные размеры. Проволоку 1 в виде «путанки» или закрученную в спираль загрузили в аппарат и при 20°С провели массообменный процесс абсорбции. После накопления на поверхности проволоки 1 отложений (засохших капель углеводородов, содержащихся  в попутных газах, пылевых частиц, продуктов деструкции моноэтаноламина), проводят регенерацию. Подачу попутного газа и водного раствора моноэтаноламина прекращают, гайки 7 откручивают с болтов 6, верхний диск 2 снимают и нагревают проволоку 1 горячим воздухом (100-120°С), подаваемым в колонну снизу вверх.
При этой температуре длина проволоки 1, выполненной из материала, обладающего эффектом памяти 12ХН18Т, увеличивается на 25% с уменьшением толщины, образовавшиеся отложения раскалываются, измельчаются, отслаиваются от поверхности проволок 1 и выдуваются горячим воздухом наружу из аппарата.
После прекращения подачи горячего воздуха проволока 1 остывает и принимает свои первоначальные размеры, какие она имела в холодном состоянии. Верхний диск 2 одевают на болты 6, закручивают гайки 7, сжимая проволоку 1 насадки до высоты Н, соответствующую рабочему состоянию:  порозности и удельной поверхности. Аппарат готов к новому циклу абсорбции.
Таким образом, выполнение проволоки 1 из материала, обладающего эффектом памяти, позволяет быстро удалять отложения с поверхности проволоки 1, уменьшая время простоя аппарата, а значит увеличивая время основной работы и тем самым повышая производительность.