Комбинированное контактное устройство для осуществления процессов тепло- и массообмена
COMBINED CONTACT DEVICE FOR HEAT AND MASS TRANSFER PROCESSES

Комбинированное контактное устройство относится к тепло- и массообменным аппаратам химической технологии, энергетики и других отраслей промышленности.
Известно комбинированное контактное устройство, выполненное в виде блоков из вертикально расположенных гофрированных листов с косыми гофрами, чередующихся со слоем насадки из горизонтально расположенных решетчатых призм (патент RU №2145699 С1, МПК F28F 25/08 (2000.01) от 06.07.1999).
Недостатком известного устройства является низкая величина поверхности, что обуславливает невысокие показатели процессов тепло- и массообмена.
Известно также комбинированное контактное устройство для осуществления процессов тепло- и массообмена, выполненное в виде чередующихся коротких слоев насадки, каждый из которых имеет различные геометрические характеристики и высоту (патент RU №2608526 С1, Бюллетень изобретений №2, от 19.01.2017).
Недостатком известного комбинированного контактного устройства является крайне узкий диапазон его работы наиболее выгодном режиме подвисания жидкости, а также невысокая пропускная способность, обусловленная использованием насыпной насадки. Отмеченные недостатки известной насадки в совокупности снижают эфективность осуществляемых технологических тепло- и массообменных процессов. Кроме того, использование в прототипе насыпной насадки обуславливает повышенные энергозатраты, что снижает энергоэффективность процесса.
Целью предлагаемого технического решения является снижение указанных недостатков, а именно - увеличение эффективности процессов тепло- и массообмена, увеличение пропускной способности насадки, также снижение энергозатрат.
2
2
2
1
1
1
Для решения указанной задачи чередующиеся по высоте соседние слои насадки имеют различную регулярную структуру, причем величины средней порозности соседних слоев насадки - ε и ε различаются между собой в соответствии с выражением: ε=А⋅ε; здесь ε - величины порозности одного из слоев насадки, которая находится в пределах ε=0,92÷0,96; А - коэффициент, величины которого находится в пределах от 1,04 до 1,06.
1
1
e1
e1
e1
1
1
1
1
1
3
3
2
3
Один из чередующихся соседних слоев насадки выполнен из вертикальных сотовых элементов, а соседние - из сетки объемного плетения. Высота слоев насадки, выполненной из сотовых элементов составляет H=B⋅d, где d - эквивалентный диаметр канала данного слоя насадки, м, d=4⋅ε/α, ε - порозность данного слоя насадки, м/м; α - удельная поверхность данного слоя насадки, м/м; B - коэфициент находящийся в пределах от 2,4 до 5,0.
Смежные слои насадки выполненные из сотовых элементов, расположены со смещением друг относительно друга по высоте на величину, соизмеримую с размерами, равными 0,5⋅m, где m - ширина единичного сотового элемента, равная m=6÷12 мм.
2
2
e2
e2
e2
2
2
2
2
e2
e2
2
3
3
2
3
Высота слоев насадки выполненных из сетки объемного плетения составляет Н=В⋅d, где d - эквивалентный диаметр канала данного слоя насадки, м, d=4⋅ε/α, ε - порозность; данного слоя насадки, м/м, α - удельная поверхность данного слоя насадки, м/м; d находится в пределах d=0,0968÷0,0984, м, В - коэфициент находящийся в пределах от 0,9 до 6,8.
1
2
Общий вид предлагаемого комбинированного контактного устройства представлен на фиг. 1-4. Устройство состоит из чередующихся по высоте слоев насадки, имеющих различную регулярную структуру - сотовой насадки 1 и насадки выполненной из заготовки в виде рукава из сетки объемного плетения 2. Высота слоев сотовой насадки H, слоев насадки из сетки - Н. Указанные слои насадки 1 и 2 загружают в аппарат 3 (см. фиг. 1). Слои сотовой насадки выполнены в виде правильных 6-ти гранников с вертикальными стенками (фиг. 2). Смещение смежных слоев сотовой насадки 4 и 5 по высоте аппарата показано на фиг. 3. Слои насадки, выполненные из рукава из сетки объемного плетения показаны на фиг. 4. При этом полотно в виде сетчатого рукава из сетки вначале собирают в гармошку 6, а затем изгибают в виде змеек 7 (см. фиг. 4).
Предлагаемая насадка выполняется следующим образом. Чередующиеся короткие слои сотовой насадки и слои из сетки объемного плетения, характеристики которых приведены в таблице 1, последовательно укладываются в аппарат один на другой, как это показано на фиг. 1.
подв.
При этом в слоях сотовой насадки скорость начала подвисания жидкости W меньше, чем у насадки из сетки объемного плетения (см. фиг. 5).
Геометрические характеристики отдельных слоев предлагаемой комбинированной насадки показаны в таблице 2.
Заявленные в предложенном комбинированном контактном устройстве пределы и технические режимы поясняются следующим образом.
Анализ опубликованных результатов исследований наиболее эффективного для осуществления процессов тепло- и массообмена режима инверсии фаз [см. Каган, Лаптев и др. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Казань: Отечество, 2013, 454 с.] позволяет сделать следующие выводы:
ж
0
- При увеличении q начало захлебывания слоя насадки при более низких скоростях газового потока W.
ж
e
e
- При одинаковых плотностях орошения q у насадок с более крупными размерами эквивалентного диаметра (гидравлического радиуса) d скорость газа, соответствующая началу захлебывания - выше, чем у насадок с меньшими размерами d.
Чередование слоев насадки имеющих различную структуру в комбинированном контактном устройстве позволяет увеличить интенсивность процесса тепло - и массообмена за счет постоянного чередования различных режимов течения взаимодействующих потоков по всей высоте аппарата с насадкой.
0
ж
ж
0
подв.
0
0
0
подв
3
2
3
2
Из сравнения графических зависимостей (ΔР/Н)=f(W) для слоев насадки двух типов - сотовой и из сетки объемного плетения при близких плотностях орошения q=20 м/м⋅ч и q=15 м/м⋅ч, соответственно, видно, что при значениях скорости газового потока W≥W у слоев насадки из сетки зависимость (ΔР/Н)=f(W) имеет более плавный, пологий протяженный по W характер (см. кривые 8 и 9 на фиг. 5). Эта особенность слоев насадки, выполненной из сетки объемного плетения создает благоприятное условие для работы комбинированного контактного устройства в наиболее эффективной области нагрузок по газу вблизи скоростей жидкости W≥W.
0
0
Анализ семейства кривых зависимостей (ΔР/Н)=f(W), характерных для элементов регулярной сотовой насадки, равно как и для других регулярных структурированных насадок, показывает, что все они имеют близкий по своей форме характер, существенным признаком которого является крайне узкий диапазон существования режима подвисания жидкости в слое насадки. В отличие от всех остальных типов насадок у насадок, выполненных из объемных сетчатых элементов области перехода от пленочного режима течения к режиму подвисания. носит существенно более плавный и протяженный по диапазону скоростей W характер, что делает возможным работу насадки в оптимальном по эффективности режиме.
1
2
2
1
1
1
2
2
При выполнении соотношения между величинами средней порозности соседних слоев насадки ε и ε в виде зависимости ε=А⋅ε, где ε - величина прозности базового слоя комбинированной насадки, которая находится в пределах ε=0,92-0,96, а коэффициент А=1,04÷1,06. При А<1,04 значительно уменьшается ε и возрастает гидравлическое сопротивление аппарата с насадкой. При А>1,06 возрастает ε и увеличивается унос капельной жидкости из объема насадки.
1
1
e1
e1
e1
1
1
1
При выполнении слоев сотовых элементов комбинированной насадки высотой H=B⋅d, где d - эквивалентный диаметр канала данного слоя насадки, который находится в пределах d=0,004÷0,01 м, а коэффициент B=2,4÷5,0. При величине B<2,4 резко возрастает гидравлическое сопротивление аппарата из-за значительного увеличения общего числа так называемых «концевых» эффектов, что нецелесообразно. При B>5,0 эффективность процессов тепло - и массообмена снижается из-за отсутствия поперечного перемешивания взаимодействующих потоков в слоях сотовой насадки.
Комбинированное контактное устройство работает следующим образом.
0
ж
3
2
Взаимодействующие потоки газ и жидкость поступают в аппарат с чередующимися слоями регулярной насадки выполненной из сотовых элементов или сетки объемного плетения. При этом в соседних по высоте слоях указанной насадки в зависимости от скорости выходящего газового потока - W, м/с и плотности орошения q, м/(м⋅ч) устанавливается одна из следующих возможных комбинаций высокоэффективных режимов течения:
- пленочный и режим подвисания;
- пленочный и режим инверсии фаз;
- режим подвисания и режим инверсии фаз.
0
ж
ж
3
2
3
2
Графическая зависимость (ΔР/Н)=f(W) для используемой конструкции комбинированного контактного устройства в виде сотовой насадки с размером ячейки 6×10 мм при при плотности орошения q=20 м/(м⋅ч) и насадки из объемной сетки при q=15 м/(м⋅ч) показана на фиг. 5 (см. фиг. 5, кривые 8 и 9).