НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам, применяемым в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов ректификации и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах разделения нефтешламов, отработанных растворов углеводородов, растворителей и других веществ для их разделения и очистки на молекулярном уровне.
Известны комбинированные насадки, состоящие из крупных колец, укладываемых правильными рядами со сдвигом верхних рядов относительно нижних, внутрь которых засыпается мелкая насадка (Скрубберы с комбинированной насадкой / Н.В. Инюшкин и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение, №3, 2013, с. 28-30.).
К недостаткам этой конструкции насадки относится постоянная поверхность насадочных тел, не зависящая от температуры обтекающих их поверхность газа (пара) и жидкости, что снижает скорость тепло- массообменных процессов при ректификации и концентрацию легколетучего компонента в паровой фазе на выходе из колонны, а значит и производительность по этому компоненту в верхней части колонны.
Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, и внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены на торцовых частях посредством не менее двух пружин, а отношение наружного диаметра внутреннего кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
,
где h и H - соответственно высоты внутреннего и наружного колец (Описание полезной модели к патенту РФ №148733, BO1J 19/00, 2014 г.).
К недостаткам этой конструкции относится постоянство поверхности обоих тел вращения, выполненных в виде колец Рашига, что не позволяет регулировать поверхности тепло- и массопередачи между паром и жидкостью и не позволяет получать постоянно высокую концентрацию легколетучего в паре на выходе из колонны, а значит снижает производительность по этому компоненту.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, и внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:
,
где h и H - соответственно высоты внутреннего и наружного кольца, причем внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным с положительной плавучестью в рабочей жидкости соединено с наружным кольцом на нижнем кольце. (Описание полезной модели к патенту РФ №162267, BO1J 19/30, 2016 г.).
Недостатком известной насадки для тепло- и массообменных процессов относится постоянная величина поверхностей кольца Рашига и внутреннего тела вращения, что в процессе ректификации не позволяет изменять величину этих поверхностей при изменении температуры пара жидкости. Это ухудшает скорость тепло- и массообменных процессов и снижает концентрацию легколетучего в паре на выходе из колонны, а значит уменьшает производительность по этому компоненту.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепло- и массообменных процессов ректификации является увеличение производительности.
Технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига, и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным, причем внутреннее тело вращения выполнено из материала, обладающего эффектом памяти, и соединено с наружным кольцом на верхнем торце, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца лежит в пределах:
где h и H - соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м.
Выполнение внутреннего тела вращения из материала, обладающего эффектом памяти, обеспечивает изменение высоты этого внутреннего кольца, а значит и его поверхности в зависимости от температуры жидкости или пара.
Так увеличение температуры какой-то части насадки, означающей уменьшение концентрации легколетучего в паровой фазе, приводит к увеличению высоты внутренних колец и их поверхности, что способствует увеличению скорости тепло- и массообменных процессов, возрастанию концентрации легколетучего и снижению температуры кипения жидкости и возрастанию концентрации пара в этой части высоты насадки, а значит увеличению производительности по легколетучему компоненту.
Материалы, обладающие эффектом памяти хорошо известны и широко применяются в конструкциях узлов и деталей различного назначения (Физический эффект в машиностроении: Справочник. / В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др. Под общей редакцией В.А. Лукьянца. - М.: Машиностроение, 1993. - с. 149-152). Обратимая деформация в этих материалах может доходить до 30%, тогда как в традиционных материалах не превышает десяток долей процента (Физический эффект в машиностроении: Справочник / В.А. Лукьянец, З.И. Алмазова, Н.П. Бурмистрова и др. Под общей редакцией В.А. Лукьянца. - М.: Машиностроение, 1993. - с. 150).
Так титаноникелевые сплавы TuNi обладают эффектом памяти, то есть меняют свои размеры при изменении температуры в широких пределах от -196°C до +120°C.
Соединение внутреннего тела вращения с наружным кольцом двумя пружинами на верхнем торце ускоряет монтаж и демонтаж элементов при их укладке в ряды и обеспечивает свободную деформацию внутреннего тела вращения при изменениях температуры жидкости и пара внутри колонны, что уменьшает время выхода ее на стационарный режим работы, а значит способствует повышению производительности по легколетучему паровому компоненту в верхней части колонны.
Выполнение высоты внутреннего тела вращения, соответствующей пределам, указанным в соотношении (1) (при нормальных условиях), позволяет при рабочих температурах порядка 80-120°C увеличивать высоту h и поверхность в пределах 30%, что соответствует отношению:
или с учетом соотношения (1):
,
I
где h - высота внутреннего тела вращения при повышении температуры.
I
То есть даже при максимально увеличеной величине высоты h внутреннего кольца, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти, она остается меньше высоты кольца Рашига, выполненного из обычного материала. Заявленное соотношение (1) высоты внутреннего кольца h и кольца Рашига H меньше, чем в патенте на полезную модель, выбранного за прототип, где это соотношение:
.
I
При его сохранении увеличение h до h на 30% могло бы привести к величине . Тогда внутреннее кольцо механически начинало бы воздействовать на смежные верхние и нижние ряды колец Рашига а колонне, что привело бы к нарушению геометрического расположения колец относительно друг друга их деформации и разрушению.
Снижение нижнего предела, заявленного соотношения (1) равного 0,6, приводит к чрезмерному уменьшению высоты и поверхности внутреннего кольца, даже при их увеличении за счет эффекта памяти, которым обладает материал этих колец. Это не позволяет в достаточной мере регулировать поверхность тепло- и массопереноса колец, что снижает их скорость и концентрацию легколетучего компонента в паре и производительность по нему в верхней части колонны.
Увеличение верхнего предела, заявленного соотношения (1) равного 0,7, приводит к увеличению высоты и поверхности внутреннего кольца, за счет эффекта памяти, которым обладает материал этих колец. Это позволяет регулировать поверхность тепло- и массопереноса колец, увеличивает их скорость и концентрацию легколетучего компонента в паре, снижает температуру и производительность по нему в верхней части колонны.
На фиг. 1 изображен общий вид в разрезе предлагаемой насадки для тепло- и массообменных процессов в ректификационной колоне с установленным внутри телом вращения, выполненным из материала, обладающего эффектом памяти.
Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного кольца 1 с внутренним диаметром D и высотой H и внутреннего тела вращения 2 с внешним диаметром d и высотой h. Отношение внешнего диаметра d внутреннего тела вращения 2 к внутреннему диаметру D наружного кольца 1 равно 0,7, а отношение их высот подчиняется условию (1). Верхние торцы наружного кольца 1 и внутреннего тела вращения 2 соединены между собой двумя пружинами 3. Наружные кольца 1 упорядоченно установлены на опорных решетках внутри колонны, а внутри каждого наружного кольца 1 установлены внутренние тела вращения 2, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти, при этом внутренние тела вращения 2 равномерно перфорированы.
Торцы наружных колец 1 не взаимодействуют с торцами внутренних тел вращения 2, и последние могут свободно колебаться на пружинах 3 внутри наружных колец 1.
Насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом. Крупные наружные кольца 1 укладываются правильными рядами со сдвигом верхних рядов относительно нижних, внутри каждого наружного кольца 1 заранее установлено внутреннее тело вращения 2, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти, равномерно перфорированное и соединенное с наружным кольцом 1 на верхнем торце посредством двух пружин 3.
I
Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ (пар). Под действием потока газа каждое внутреннее тело вращения 2 совершает колебания, которые передаются всплывающими пузырьками газа. 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 тела вращения 2 меньше высоты H наружного кольца 1, и отношение этих высот лежит в пределах 0,6÷0,7, то при нагревании жидкости и пара на какой-то высоте насадки до температуры сверхноминального ее значения, высота внутреннего тела вращения, выполненного из материала, обладающего эффектом памяти, увеличивается с h до h, соответственно растет боковая поверхность теплопередачи этого тела вращения 2, а с ним скорость тепло- и массопереноса и концентрация легколетучего компонента, что приводит к снижению температуры кипения и повышение концентрации легколетучего компонента, и наоборот с уменьшением температуры, высота внутреннего тела вращения уменьшается, что возвращает температуру кипения газа и жидкости к номинальному значению.
Использование в конструкции насадки двух пружин 3, соединяющих верхние торцы внутреннего тела вращения 2 и наружного кольца 1, позволяет закрепить внутреннее тело вращения 2, и предотвратить его вынос из наружного кольца 1.
Таким образом, установка внутри каждого наружного кольца 1 и тела вращения 2, выполненного из материала обладающего эффектом памяти, и соединение его с наружным кольцом 1 двумя пружинами 3 на верхнем торце при отношении высоты внутреннего тела вращения 2 к высоте наружного кольца 1, соответствующего выражению (1), позволяет поддерживать высокую скорость тепло- и массообменных процессов и концентрацию легколетучего на выходе из колонны при колебаниях температуры жидкости и пара за счет изменения поверхности внутреннего тела вращения 2, что обеспечивает высокую производительность по легко летучему компоненту в верхней части колонны.