РЕГУЛЯРНАЯ НАСАДКА ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
REGULAR HEAT EXCHANGER BED

Изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в системах газ (пар) - жидкость, в частности к абсорбционным и ректификационным колоннам.
В патенте РФ №2094113 описана регулярная насадка, которая состоит из горизонтальных рядов равнобоких угловых элементов, расположенных с некоторым шагом относительно друг друга. Уголковые элементы каждого последующего ряда смещены по горизонтали таким образом, чтобы размещаться между вышерасположенными элементами, образуя щелевые зазоры с кромками образующих пластин этих элементов. При организованном потоке жидкой и газовой фаз жидкость, стекая по наклонной полке уголка, поступает к щели между кромкой и полкой нижерасположенного уголка и с повышенной скоростью истекает в объем под углом, эффективно контактируя, распадаясь на струи и диспергируя при этом под действием противоточного потока газа.
Проведенные предварительные исследования показали, что использование предлагаемой насадки позволит улучшить массообменные характеристики аппаратов на 5-12% в зависимости от их размеров и свойств системы.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией насадки являются шахматное расположение элементов насадки в ее поперечном разрезе и их горизонтальное расположение в пространстве аппарата.
Недостатками данного изобретения являются высокое гидравлическое сопротивление, низкий коэффициент массопередачи.
Известна насадка для массообменных аппаратов по патенту РФ №2225753, включающая горизонтальные гофрированные полотна с отверстиями, изготовленные из просечно-вытяжного листа, расположенные так, что образующие гофров соседних полотен взаимно перпендикулярны, причем нижние части гофров полотна выполнены глухими, без отверстий. Между полотнами уложена сетка, в которой вырезаны окна с отогнутыми к верхним частям гофров нижележащего полотна направляющими створками. Глухие части гофров или распределительные желоба секционированы по длине вертикальными перегородками. Края распределительных желобов выполнены зубчатыми.
Изобретение позволяет обеспечить равномерное распределение жидкой фазы по объему насадки, что повышает эффективность массообмена.
Общими признаками известного и предлагаемого решений являются наличие гофрированных элементов, расположенных горизонтально в аппарате.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
В патенте РФ №2226125 описано контактное устройство для массообменных аппаратов, составленное из горизонтальных рядов наклонных прямоугольных пластин, расположенных под углом друг к другу с щелью между кромками, причем щели, образованные пластинами вышерасположенного ряда, располагаются против щелей нижерасположенного ряда, между которыми помещен горизонтальный отбойник, при этом отбойник имеет форму плоской прямоугольной пластины и ширину, в три раза большую ширины щели.
Изобретение позволяет интенсифицировать процесс массопередачи для систем жидкость - жидкость путем увеличения поверхности контакта фаз.
Общим признаком с предлагаемой конструкцией насадки является наличие горизонтально расположенных элементов.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Также сходным по конструкции является контактное устройство, описанное в патенте №2209664. В контактной пластине выполнено множество прямых рядов. На обеих поверхностях пластины выполнены неровности на равных интервалах в ряду. Соседние ряды имеют повторяющиеся неровности, противоположные одна другой, и в части вершины или углубления неровностей выполнено отверстие, соединяющее переднюю поверхность с задней поверхностью между соседними рядами. На контактной пластине в соответствии с настоящим изобретением, поскольку отверстия выполнены в поперечном направлении, перпендикулярном потоку жидкости, жидкость протекает, распределяясь не только в продольном направлении, но также и в поперечном направлении. Поскольку газ, так же как и жидкость, протекает в поперечном направлении и они смешиваются друг с другом, поток газа также может свободно переходить на переднюю и заднюю поверхность пластины.
Такая контактная пластина имеет высокую степень смачиваемости, позволяет улучшить эффективность контакта газа и жидкости, имеет малый вес.
Общим признаком с предлагаемым изобретением является наличие гофрированных лент (листов).
Недостатком данного изобретения является то, что при вертикальном расположении гофрированных листов возможен массообмен только в пленочном режиме и поверхность контакта фаз ограничена поверхностью самих вертикальных листов. Из-за плохих условий для барботажного режима массообмена эффективность работы насадки снижена.
Наиболее близким по конструкции (прототип) является устройство, описанное в патенте РФ на полезную модель 67888, опубл. 10.11.2007. Данное устройство представляет собой регулярную насадку для массообменных аппаратов, содержащую слои насадки, собранные из пакета гофрированных пластин, размещенных выступами друг к другу и в местах контактов скрепленных между собой посредством пропущенных в отверстия пластин стержней, служащих каркасом пакета.
Общим признаком с прототипом является наличие гофрированных пластин, скрепленных между собой стержнями, служащими каркасом.
Недостатком прототипа является повышенное гидравлическое сопротивление.
Задачей изобретения является создание новой высокоэффективной регулярной насадки для проведения тепло- и массообменных процессов между газом (паром) и жидкостью.
Технический результат изобретения заключается в:
- увеличении эффективности процессов тепло- и массообмена;
- упрощении конструкции и снижении затрат металла на изготовление насадки;
- снижении гидравлического сопротивления насадки.
Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации регулярной насадки для массообменных аппаратов, содержащей каркас из стержней, горизонтально расположенные ленты и вертикальные сетки, достигается за счет того, что ленты крепятся на стержнях каркаса и сами не являются несущими элементами, вследствие чего их толщина может быть существенно снижена, кроме того, ленты могут выполняться из пластика или химически и механически стойкой ткани, что также приведет к снижению затрат металла, а расположение компонентов регулярной насадки обеспечивает увеличение поверхности контакта жидкой и газовой (паровой) фазы, при этом за счет увеличения промежутков между компонентами регулярной насадки уменьшается ее гидравлическое сопротивление.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что ленты металла или ленты, изготовленные из химически и механически стойкой ткани, крепятся на каркасе из металлических стержней таким образом, чтобы лента приняла волнообразную форму, при этом ребро нижнего основания вышележащей ленты находится на одном уровне с ребром верхнего основанием нижележащей.
В отличие от прототипа в заявляемой регулярной насадке установлены металлические вертикальные листы сетки, которые увеличивают поверхность насадки и способствуют повышению эффективности процесса массообмена. Ленты насадки могут быть изготовлены из тонкого металла, или пластика, или химически и механически стойкой ткани и могут иметь следующую форму: плоскую (фиг.1), волнообразную трапециевидную (фиг.2) и волнообразную сглаженную (фиг.3). В связи с тем, что ленты крепятся к каркасу (объемной решетке) из металлических стержней, толщина металлических лент может быть снижена, что приведет к уменьшению расхода металла на изготовление в сравнении с обычными типами насадок. Для повышения эффективности массопереноса края лент могут быть выполнены зубчатыми.
Сущность предлагаемой регулярной насадки иллюстрируется чертежами (фиг.1-5).
Перечень фигур:
Фиг.1. Насадка из плоских лент.
Фиг.2. Насадка из волнообразных трапециевидных лент.
Фиг.3. Насадка из волнообразных сглаженных лент.
Фиг.4. Схема потоков жидкости и газа на насадке из плоских лент.
Фиг.5. Схема потоков жидкости и газа на насадке из волнообразных лент.
На фиг.1 приведена конструкция насадки из плоских лент. На фиг.2 приведена конструкция насадки из волнообразных трапециевидных лент. На фиг.3 приведена конструкция насадки из волнообразных сглаженных лент. На фиг.4 приведена схема потоков жидкости и газа на насадке из плоских лент. На фиг.5 приведена схема потоков жидкости и газа на насадке из волнообразных лент.
Насадка содержит горизонтально установленные металлические ленты или пластиковые ленты, или ленты из химически и механически стойкой ткани (1), вертикально установленные металлические сетки (2) и элементы каркаса (3). Горизонтальные ленты и вертикальные плоские сетки крепятся на горизонтальных элементах каркаса, расположенных в шахматном порядке, при этом ленты имеют плоскую форму, а вертикальные листы сетки располагают между вертикальными рядами лент. Ленты могут также иметь гофрированную форму, с трапециевидными или волнообразными гофрами.
Предлагаемая регулярная насадка для массообменных аппаратов работает следующим образом. Процесс массообмена происходит при противоточном движении жидкой и паровой фазы. Газовая (паровая) фаза подается снизу слоя насадки, а жидкая - сверху. Контакт фаз происходит при непосредственном взаимодействии потоков, как это изображено на фиг.4 и фиг.5. Жидкость стекает по установленным лентам, при этом увеличивается время контакта жидкой и паровой фазы. Ленты установлены таким образом, что продольная ось ленты расположена горизонтально, жидкая фаза, попадая на ленту, стекает на две нижележащие, проходя при этом через вертикально установленные металлические листы сетки, примыкающим к обоим краям ленты. Листы сетки разбивают поток жидкой фазы, увеличивая при этом площадь контакта с паровой фазой. При использовании новой насадки создаются более благоприятные условия для проведения процесса, чем в прототипе.
Исполнение лент может быть различным, в данном случае предлагается три различных варианта: плоские ленты (фиг.1), ленты с волнообразными трапециевидными гофрами (4) (фиг.2) и ленты с волнообразными сглаженными гофрами (5) (фиг.3). Различие заключается в расположении зон контакта жидкой и паровой фаз, в случае применения плоских лент преимущественной зоной контакта станет пространство между вышерасположенной и нижерасположенной лентами. Жидкая фаза, стекая с вышележащей ленты за счет зубчатого исполнения краев, будет равномерно распределяться, распадаясь на струи и диспергируя под действием стремящегося вверх потока газа. В случае применения лент с волнообразными сглаженными гофрами преимущественной зоной контакта фаз станет поверхность лент, так как обтекаемая поверхность и соприкасающиеся вышерасположенные и нижерасположенные ленты создадут оптимальные условия для того, что бы жидкая фаза перетекала с ленты на ленту, не срываясь с них. В случае применения лент с трапециевидными гофрами не будет преимущественной зоны контакта фаз, в связи с тем, что в отличие от лент с волнообразными гофрами ленты с трапециевидными гофрами не имеют такой же обтекаемой формы, и поэтому жидкая фаза будет не только перетекать по поверхности лент, но и срываться на нижележащую ленту. В связи с этим контакт жидкой и газовой (паровой) фаз будет происходить как в пространстве между вышерасположенной и нижерасположенной лентами, так и на поверхности лент.
Способ изготовления насадки следующий. Сначала собирается каркас, элементы каркаса могут быть выполнены как из металлических стержней, уголков, полых трубок или проволоки, так и из плетеных канатов или других неметаллических элементов, устойчивых к среде, в которой будет применена предлагаемая насадка. Затем на каркасе закрепляются гофрированные ленты, и плоские металлические листы сетки. Ленты могут быть выполнены как из металла, так и из пластика или химически и механически стойкой ткани.