НАСАДКА ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
PACKING FOR MASS-TRANSFER APPARATUS

Изобретение относится к конструкции насыпных насадок для массообменных аппаратов и может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности при осуществлении массообменных процессов в системах жидкость-пар (газ), например ректификации, абсорбции, десорбции, дистилляции и других процессах.
Известен элемент насадки для массообменных аппаратов, представляющие собой кольцо без дополнительных устройств, (см. Рамм В.М. «Абсорбция газов». Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: «Химия», 1976, с.313).
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является насадка для массообменных аппаратов, выполненная в виде пустотелого цилиндра, с расположенными на его внешней поверхности турбулизирующими элементами в виде открытых каналов, расположенных по винтовой линии (см. Патент №RU 2280492, МПК В01D 47/14, В01D 53/18 2006 г.).
Недостатками указанных насадок является недостаточная эффективность массообмена и высокое гидравлическое сопротивление.
Задачей изобретения является создание конструкции насадки, позволяющей повысить эффективность массообмена и снижение гидравлического сопротивления путем изменения профиля поверхности межфазного контакта.
Данная задача достигается за счет того, что насадка для массообменных аппаратов, выполненная в виде пустотелого цилиндра, с расположенными на его внешней поверхности турбулизирующими элементами в виде открытых каналов, расположенных по винтовой линии, согласно изобретению, насадка дополнительно снабжена расположенными по винтовой линии на внутренней поверхности цилиндра турбулизирующими элементами в виде открытых каналов.
При этом шаг винтовой линии не более высоты цилиндра и отношение диаметра насадки к ее высоте выполнено в пределах 1-4.
На фиг.1 схематично представлена насадка, общий вид в разрезе, на фиг.2 - вид насадки с верху на фиг.1.
Контактное устройство представляет пустотелый цилиндр 1 с внешним 2 и внутренним 3 открытыми каналами, расположенными по винтовым линиям.
Насадка для массообменных аппаратов работает следующим образом.
Для ведения технологического процесса необходимый объем аппарата засыпают внавал элементами насадки. Контакт между массообменивающимися потоками (жидкость-газ) происходит непрерывно в противотоке по всей высоте слоя насадки как на внешней, так и на внутренней поверхностях. Орошающая жидкость равномерно распределяется по поверхности слоя насадки и стекает по элементам вниз. Газ через распределительное устройство подается снизу аппарата и движется вверх. Наличие у насадки не только внешних 2, но и дополнительных внутренних 3 открытых каналов, расположенных по винтовым линиям с шагом не более высоты цилиндра, позволит увеличить ее свободный объем и внутреннюю поверхность, т.е. увеличить поверхность контакта взаимодействующих фаз, что приведет к интенсификации процесса массообмена, а также способствует образованию в слое насадки винтового течения не только на внешней, но и на внутренней поверхностях, а пересечение этих двух потоков при переходе с одной насадки на другую создает дополнительные местные завихрения жидкостного и газового потоков, лучшие условия для межфазного перемешивания, т.е. усиливает турбулизацию и повышает кратность обновления поверхности контакта взаимодействующих фаз, что приводит к повышению эффективности массообмена и снижению гидравлического сопротивления.
Одновременное расположение турбулизирующих винтовых каналов как на внешней, так и на внутренней поверхностях цилиндра приведет к самоориентации насадки по направлению к контактируемым потокам при загрузке в навал за счет того, что при одновременном закручивании контактируемой с насадкой жидкостью, находящейся в аппарате при загрузке внавал, при этом приблизительно 80% насадки укладывается соостно потоку, в результате чего возрастает пропускная способность насадки и ее удельная поверхность, что приводит к интенсификации процесса массообмена и снижению гидравлического сопротивления.
При выполнении шага винтовой линии не более высоты цилиндра увеличивается турбулизация взаимодействующих фаз, то есть повышается эффективность массообмена, одновременно за счет винтового движения на внешней и внутренней поверхностях потоков уменьшается гидравлическое сопротивление.
Минимальное значение шага винтовой линии составляет 5 мм, т.е.: 0,1 высоты цилиндра при высоте насадки 50 мм, 0,05 высоты цилиндра при высоте насадки 100 мм.
При выполнении шага винтовой линии менее 5 мм резко снижается эффективность массообмена за счет срыва пленки с поверхности насадки, что недопустимо.
Выполнение насадки с величиной отношения ее максимального диаметра к высоте в пределах 4-1 обеспечивает самоориентацию насадки при загрузке внавал, то есть снижает гидравлическое сопротивление и создает развитую удельную поверхность, приводя к повышению эффективности массообмена.
При шаге винтовой линии более высоты цилиндра резко снижается эффективность массообмена за счет уменьшения длины канала, что недопустимо.
При отношении максимального диаметра насадки к ее высоте менее 1 сокращается удельная поверхность насадки при ее хаотической загрузке в аппарат. При отношении максимального диаметра насадки к ее высоте более 4 увеличивается гидравлическое сопротивление, что недопустимо.
Результаты испытаний элемента насадки для массообмена приводятся ниже.
Пример 1
Насадка была выполнена в виде пустотелого цилиндра 1 со следующими размерами: высота Н=50 мм, диаметр D=50 мм, толщина 8=5 мм.
Каналы на внешней 2 и внутренней 3 поверхностях расположены по однозаходным винтовым линиям. Шаг винтовых линий - р на внешней и внутренней поверхностях 6,5 мм, глубина каналов 2,5 мм.
При испытаниях насадка загружалась внавал в колонну диаметром 0,6 м, высота слоя составляла 1 м. Загрузка насадки внавал показало, что 80% насадки укладывается соостно потоку.
Проведя гидравлические испытания при плотности орошения, равной 0, и скорости газа 2 м/с было получено значение потери напора, равное 43,2 мм вод. ст./пог.м, что по сравнению с кольцами Рашига размером 50×50×5, в 1,4 раза меньше, а по сравнению с прототипом в 1,14 раз.
3
2
При плотности орошения, равной 10 м/(м*ч), и скорости газа 2 м/с гидравлическое сопротивление насадки в 2,7 раз меньше по сравнению с кольцами Рашига размером 50×50×5 и в 1,3 раза - по сравнению с прототипом, а коэффициент массопередачи возрастает на 11% по сравнению с прототипом.
Пример 2
Насадка была выполнена в виде пустотелого цилиндра 1 со следующими размерами: высота Н=12.5 мм, диаметр D=50 мм, толщина S=5 мм.
Каналы на внешней 2 и внутренней 3 поверхностях расположены по однозаходным винтовым линиям. Шаг винтовых линий - р на внешней и внутренней поверхностях 5 мм, глубина каналов 1,5 мм.
При испытаниях насадка загружалась внавал в колонну диаметром 0,6 м, высота слоя составляла 1 м. Загрузка насадки внавал показало, что 80% насадки укладывается соостно потоку.
Проведя гидравлические испытания при плотности орошения, равной 0, и скорости газа 2 м/с, было получено значение потери напора, равное 30,1 мм вод. ст./пог.м, что по сравнению с кольцами Рашига размером 50×50×5 в 2 раза меньше, а по сравнению с прототипом в 1,6 раз.
3
2
При плотности орошения равной 10 м/(м*ч) и скорости газа 2 м/с гидравлическое сопротивление насадки в 3,8 раз меньше по сравнению с кольцами Рашига размером 50×50×5 и в 2,2 раза по сравнению с прототипом, а коэффициент массопередачи возрастает на 23%, по сравнению с прототипом.
Изобретение позволяет снизить гидравлическое сопротивление и повысить эффективность массообмена за счет выполнения турболизирующих элементов в виде открытых каналов, расположенных по винтовой линии, причем шаг винтовой линии не более высоты цилиндра и отношение диаметра насадки к ее высоте выполнено в пределах 1-4.
1. Рамм В.М. «Абсорбция газов». Изд. 2-е перераб. и доп. - М., Химия, 1976,656 с.
2. Патент RU 2280492, МПК В01D 47/14, В01D 53/18 2006 г.