Насадка для тепло-массообменных процессов

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции контактных устройств, применяемых в колонных аппаратах для интенсификации тепло- и массообменных процессов и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармакологической, машиностроительной, металлургической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов, вентиляционных выбросов и сточных вод от вредных примесей, в абсорберах и ректификационных аппаратах.
Известны насадочные тела в виде колец Рашига, уложенных упорядочено друг на друга внутри колонны, регулярные насадки из проволочной спирали, свернутой в плоские пружины, объемно-структурированные регулярные насадки Зульцера, Меллапак, состоящие из цилиндрических блоков высотой от 150 до 200 мм и состоящие из параллельно установленных вертикальных листов, изготовленных из металлической профильной фольги и другие [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 784 с., стр. 470-472; Машины и аппараты химических производств: учебное пособие для вузов / Под общей редакцией А.С. Тимонин. – Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. – 872 с., стр. 559-561].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неподвижность известных насадок, что снижает интенсивность тепло- и массообменных процессов, увеличивает возможность образования на их поверхности продуктов деструкции: солевых и других отложений (накипи, сажи), а значит снижает производительность.
Насадка для тепло-массообменных процессов, выполненная в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого на расстоянии друг от друга и жёстко соединённых между собой в верхней части, причём одно тело вращения выполнено в виде витой проволочной пружины, а другое тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, причем  витая проволочная пружина установлена внутри полого цилиндра, её нижний виток расположен под нижним торцом полого цилиндра и выполнен горизонтальным с наружным диаметром, равным наружному диаметру полого цилиндра [П.М. РФ №167780, МПК B01J19/32, 2016].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченная высота каждой насадки из-за потери устойчивости полого цилиндра на высокой цилиндрической пружине. Это ограничение по высоте требует  укладки каждого слоя насадки на отдельные опорные тарелки. Кроме того, сама свободная установка насадки на опорной тарелки при высоких  амплитудах колебания в резонансном режиме приводит к смещению  опорных нижних витков пружины, полые цилиндры своими боковыми стенками прижимаются друг к другу, что приводит к прекращению колебаний полых цилиндров на цилиндрических пружинах, неупорядоченному движению газовой и жидкой фаз относительно друг друга, уменьшению скорости тепло-  и массопереноса, а значит снижению производительности.
Известна насадка для массообменных аппаратов из проволочных спиралей и стеклянного волокна, обладающая высокой удельной поверхностью и свободным объемом [В.М.Рамм. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976, С.315-316].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, неравномерность распределения материала и гидравлического сопротивления по ее объему, что приводит к разному времени пребывания очищаемой среды в насадке и необходимости снижения расходов жидкости и газа, что в свою очередь снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по назначению и совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип, является  насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого и жестко соединенных между собой в верхней части, причем наружное тело вращения выполнено в виде спирали, а внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного, причем спираль наружного тела вращения образована витой проволочной пружиной, а внутреннее тело вращения выполнено в виде полого цилиндра [П.М. РФ №148732, МПК B01D33/00, 2014].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится ограниченность высоты h внутреннего полого цилиндра из-за потери устойчивости цилиндрической пружины с ростом этой высоты. Перекосы  при потере устойчивости витков пружины могут вызвать соприкосновения витков смежных пружин и потерей ими способности к резонансным колебаниям и вибрации, а такое статическое состояние приводит к снижению скорости тепло- и массообменных процессов, образованию на поверхности витков и внутреннего полого цилиндра продуктов деструкции (термических отложений, сажи, солевого камня), необходимость остановки и очистки от них поверхности насадки. Это снижает основное время работы и производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепло- и массообменных процессов является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для тепло- и массообменных процессов, состоящей из установленных соосно на закрепленной внутри аппарата опорной перфорированной тарелке на расстоянии друг от друга одно внутри другого тел вращения – наружного в виде цилиндрической проволочной пружины и внутреннего в виде полого цилиндра, причем над равномерно установленными насадками установлена перфорированная крышка, на которой закреплен обруч, наружный диаметр которого равен диаметру крышки, определяемому выражением:
(1)
где - соответственно диаметр крышки и внутренний диаметр аппарата, м;
а масса обруча определяется выражением:
, (2)
y
где m, M и m – соответственно масса обруча, перфорированной крышки и полого цилиндра насадки, кг;
а – упругость витков цилиндрической пружины насадки, Н/М;
N – число насадочных элементов;
– число Пифагора;
с – скорость звука газа, м/с;
h – высота насадочного элемента, м;
на нижней поверхности перфорированной крышки и на верхней поверхности опорной перфорированной тарелки зеркально и равномерно по концентрическим окружностям выполнены цилиндрические гнезда, глубина которых равна диаметру проволоки цилиндрической пружины насадки, диаметр каждого гнезда определяется выражением:
(3)
где - соответственно диаметр цилиндрического гнезда и диаметр цилиндрической пружины насадки, м;
а расстояние между центрами гнезд определяется выражением:
(4)
где - расстояние между центрами гнезд, м.
Установка над равномерно установленными насадками перфорированной крышки, диаметр которой соответствует соотношению (1), позволяет под весом, создаваемым  в поле сил тяжести ее массой М, фиксировать вертикальное расположение всех насадочных элементов, состоящих из цилиндрических пружин с закрепленными внутри них полыми цилиндрами, образующими общий пружинный маятник, колеблющийся под действием потоков газов, поднимающихся вверх, и стекающей вниз жидкости через отверстия в опорной перфорированной тарелке и перфорированной крышке. Эти колебания интенсифицируют тепло- и массообмен и способствуют росту производительности.
Увеличение диаметра крышки, по сравнению с внутренним диаметром аппарата, выше указанного в диапазоне (1), может привести к перекосу при вибрации  крышки и ее заклиниванию на стенке аппарата, что останавливает вибрацию и снижает скорость тепло- и массообменных процессов, а значит и производительность.
Уменьшение диаметра крышки, по сравнению с внутренним диаметром аппарата, ниже указанного предела (1), может привести к увеличению проскока жидкости и газа на периферии в кольцевом зазоре, образованном внутренним диаметром аппарата и перфорированной крышкой, что уменьшает долю  взаимодействующих потоков жидкости и газа в вибрационной зоне между  перфорированной крышкой и опорной перфорированной тарелкой, что также приводит к снижению общей производительности.
Выполнение на нижней поверхности перфорированной крышки и на верхней поверхности опорной перфорированной тарелки зеркально и равномерно по концентрическим окружностям расположенных цилиндрических гнезд, с глубиной равной диаметру проволоки цилиндрической пружины насадки, позволяет закрепить торцевые горизонтальные витки каждой цилиндрической пружины насадочных элементов внутри этих гнезд, что предотвращает их скольжение по поверхности перфорированной тарелки, перекосы, столкновение поверхностей смежных цилиндрических пружин при вибрации, и ее прекращение. Это увеличивает скорость тепло- и массообменных процессов, а значит и увеличивает производительность.
Выполнение диаметра каждого гнезда в соответствии с соотношением (3), позволяет при установке цилиндрических пружин насадки быстро помещать их торцы горизонтальных витков внутри гнезд и также быстро вынимать их из гнезд при демонтаже.
Увеличение диаметра гнезда, по сравнению с наружным диаметром витков цилиндрической пружины насадки, выше указанного предела соотношения (3), может привести при вибрации  цилиндрической пружины к самопроизвольному выпадению ее торцевых горизонтальных витков из гнезда, перекосу выпавших цилиндрических пружин и их взаимодействию со смежными пружинами, что останавливает процесс вибрации и приводит к снижению производительности.
Уменьшение диаметра гнезда, по сравнению с наружным диаметром витков цилиндрической пружины насадки, ниже указанного предела соотношения  (3), может привести к усложнению монтажа и демонтажа торцевых горизонтальных витков цилиндрической пружины в каждом гнезде и повышению затрат времени на эти операции, что уменьшает время основной работы и приводит к снижению производительности.
Выполнение гнезд по концентрическим окружностям с расстоянием между их центрами, определяемым выражением (4), позволяет вибрировать виткам цилиндрических пружин без их контакта с витками смежных цилиндрических пружин, а такая свободная вибрация способствует росту производительности.
Увеличение расстояния между осями гнезд выше указанного предела соотношения (4), приводит к уменьшению числа насадок, которые можно установить между перфорированной крышкой и опорной перфорированной тарелкой, а значит уменьшению поверхности контакта, что снижает производительности.
Уменьшение расстояния между осями гнезд выше указанного предела соотношения (4), может привести при вибрации к потере устойчивости витков цилиндрических пружин насадочных элементов с их изгибом относительно вертикальной оси, взаимодействию таких витков с витками смежных цилиндрических пружин, прекращению вибрации и соответственно снижению производительности.
Закрепление на перфорированной крышке обруча с диаметром, равным диаметру перфорированной крышки, позволяет газовому и жидкому потоку свободно проходить сквозь отверстия в перфорированной крышке, не препятствуя их взаимодействию, друг с другом по всему сечению аппарата. Это способствует высокой скорости тепло- и массопереноса, а значит и производительности.
Выполнение обруча массой, определяемой выражением (2), позволяет вести вибрационный процесс колебаний насадки и самой перфорированной крышки в резонансном режиме с большой амплитудой. Известно, что газ, двигаясь внутри трубы, создает вынужденные колебания с частотой :
(5)
где с – скорость звука в газе (паре), м/с;
h – длина трубы, м; [Элементарный учебник физики. Том III / Под редакцией Г.С. Ландсберга. – М.: Наука, 1986, с. 143].
Цилиндрические пружины под воздействием массы перфорированной крышки М и обручем массой m образуют пружинный маятник с собственной частотой колебаний [Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. 1-е изд. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1980 г. - 944 с., стр.590]:
,                                       (6)
где  - масса, приходящаяся на одну цилиндрическую пружину, кг:
,
N – число насадочных элементов, на которые опирается перфорированная крышка с массой М с обручем массой m.
Из совместного решения уравнений (5) и (6) получаем выражение для расчета массы m диска:
,                                                (7)
где a – упругость витков цилиндрической пружины насадки, Н/м;
- масса полого цилиндра насадки, кг;
с – скорость звука в газе (паре), м/с;
h – высота насадочного элемента, м.
На фиг.1 представлен фрагмент колонного аппарата с  предлагаемой конструкцией насадки для тепло- и массообменных процессов в разрезе; на фиг.2 - верхняя перфорированная крышка без установленного на ней обруча.
2
k
k
Каждая насадка состоит из цилиндрической пружины 1 с наружным диаметром витков d, соосно с которой внутри установлен полый цилиндр 2 с зазором относительно витков цилиндрической пружины 1 так, что полый цилиндр 2 может свободно колебаться внутри цилиндрической пружины 1. Торцевые витки цилиндрической пружины 1 выполнены горизонтальными, и их нижние витки помещены в гнезда 3, выполненные на концентрических окружностях опорной перфорированной тарелки 4, установленной внутри аппарата 5 с внутренним диаметром D. Расстояние между гнездами 3 равно ∆, а диаметр каждого гнезда 3 равен d, их размеры подчиняются выражению (4), при  этом отношение диаметра гнезда 3 к наружному диаметру d цилиндрической пружины 2 подчиняется выражению (3). Сверху на равномерно установленные насадки установлена перфорированная крышка 6, в которой выполнены зеркально перфорированной тарелке 4 такие же гнезда 3, геометрические размеры и расположение которых подчиняются отношениям (3) и (4). Крышка 6 установлена  с зазором относительно  боковых стенок аппарата 5 и отношение ее диаметра D к внутреннему диаметру D аппарата 5 подчиняется выражению (1), то  есть она может свободно колебаться на цилиндрических пружинах 1, так как их верхние горизонтальные торцевые витки установлены внутри гнезд 3 перфорированной крышки 6. Сверху на перфорированной крышке 6 закреплен обруч 7 массой m, имеющий наружный диаметр равный диаметру D крышки 6. Масса m обруча 7 определяется выражением (2).
Насадка для тепло- и массообменного аппарата работает следующим образом.
Сверху в аппарат 5 подают жидкость, а снизу газ или пар. Жидкость, попадая в отверстия перфорированной крышки 6, струйками или каплями стекает по поверхности полых цилиндров 2 и виткам цилиндрических пружин 1. Газ или пар, попадая через отверстия в перфорированной опорной тарелке 4, движется навстречу вверх стекающей жидкости и создает внутри полого цилиндра 2 высотой h вынужденные колебания с частотой, определяемой уравнением (5). Так как собственная частота колебаний (7)  пружинного маятника, образованного цилиндрическими пружинами 1 с полыми цилиндрами 2, перфорированной крышкой 5 и обручем 7 совпадает с вынужденной частотой колебаний , движущегося в полых цилиндрах 2 газа, то полые цилиндры 2, перфорированная тарелка 6 и обруч 7 совершают вертикальные резонансные колебания с высокой амплитудой, интенсифицирующих тепло- и массообменные процессы, предотвращающие закрепление на поверхностях витков цилиндрических пружин 1, наружных и внутренних поверхностях полых цилиндров 2, участвующих в тепло- и массообменных процессах продуктов деструкции (сажи, солевого камня, накипи), то эти процессы идут с высокой скоростью и производительностью.
п
6
Пример. Колонный аппарат имеет внутренний диаметр D=0,6 м. Устанавливаем внутри него вертикально в гнезда 3 опорной перфорированной тарелки 4 предлагаемую насадку, выполненную в виде цилиндрических пружин 1 с полыми цилиндрами 2, закрепленными в верхней части цилиндрических пружин 1. Полые цилиндры 2 имеют высоту h=1 м. Витки цилиндрических пружин 1 выполнены из проволоки толщиной d=10 мм с наружным диаметром витка d=55 мм, имеющей  упругость витков а=109 кг/мм или а=1,0710 Н/м [Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. Издание 8-е, переработанное и дополненное. – М.: Машиностроение, 1967, 688 с., стр. 543].
Для цилиндрической пружины 1 с наружным диаметром витка d=55 мм рассчитываем по уравнению (2) диаметр гнезда 3:
мм,
а расстояние между центрами гнезд 3 по уравнению (3):
мм.
В центр опорной перфорированной тарелки 4 помещаем одно гнездо 3. Первая окружность около центра с радиусом  мм и расстоянием между гнездами 3 также  мм.
Тогда на первой окружности поместится гнездо 3:
гнезд,
аналогично на второй от центра:
гнезд,
на третьей:
гнезд,
на последней четвертой:
гнезд,
Всего  гнезда 3 и соответственно 62 цилиндрических пружин 1 с установленными в них соосно полыми цилиндрами 2 можно будет поставить в эти гнезда. Диаметр 4-ой окружности с гнездами составляет:
мм.
Этот диаметр умещается в верхнюю перфорированную крышку 6, имеющую диаметр согласно уравнению (1):
мм,
то есть все насадки оказываются под перфорированной крышкой 6.
ц
При массе каждого полого цилиндра 2 m=0,5 кг  (он выполнен из жести, так как не несет никакой нагрузки), масса перфорированной крышки M=25 кг, исходя из уравнения (4), получаем что масса обруча 7 должна быть:
кг,
где c=330 м/с - скорость звука в воздухе.
Таким образом, при  установке на верхней крышке 6 обруча 7, имеющего массу 6,3 кг предлагаемая конструкция насадки для тепло- и массообменных процессов будет вибрировать в резонансном режиме с высокой амплитудой и частотой:
Гц.
Таким образом, установка над равномерно установленными насадками перфорированной крышки 6, на которой закреплен обруч 7 массой, определяемой выражением (2), наружный диаметр которого равен диаметру крышки, подчиняющийся соотношению (1), где зеркально и равномерно по концентрическим окружностям выполнены цилиндрические гнезда 3, подчиняющихся отношениям (3÷4), на нижней поверхности перфорированной крышке 6 и на верхней поверхности опорной перфорированной тарелки 4, глубина которых равна диаметру проволоки цилиндрической пружины насадки, позволяет вести процессы тепло- и массообмена в резонансном режиме с высокой амплитудой, что обеспечивает интенсификацию этих процессов и рост производительности [Варсанофьев В.Д. Вибрационная техника в химической промышленности. – M.: Химия, 1985, 240 с., стр. 213].