Массообменный аппарат

Предлагаемое техническое решение относится к области тепло- и массообмена между жидкостью и газом (паром) и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической, топливной, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод, дымовых газов и вентиляционных выбросов.
Известен пульсатор барботажного типа, содержащий тарелку и вибратор, при этом с целью интенсификации процесса, тарелка снабжена подпружиненным колпачком, соединенным с вибратором [а. с. №244301, МПК В01 f, 1969].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся низкая интенсификация процесса, так как вибрация подается только на сам колпачок, а не на всю тарелку, тем самым снижается производительность.
Известна вибрационная массообменная колонна для взаимодействия жидкостей, жидкостей с газом или твердым веществом, содержащая вертикальный цилиндрический корпус со штуцерами для ввода и вывода фаз и шток с виброприводом, установленный по оси колонны и снабженный плоскими перфорированными и коническими дисками, при этом с целью повышения эффективности работы путем создания развитой поверхности массообмена фазы, подлежащей диспергированию, шток снабжен диспергатором, выполненным в виде перфорированного стакана, а выходное отверстие штуцера для ввода диспергируемой фазы расположено в полости диспергатора [а. с. №697139, МПК В01 D 11/00, 1979].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность проведения масообменного процесса, из–за того что тарелки жестко закреплены на цилиндрическом корпусе, что уменьшает скорость массопередачи и тем самым снижается производительность.
Известна вибрационная колонна для массообменных процессов в жидких средах, содержащая полый вертикально установленный цилиндрический корпус с патрубками для ввода и вывода реагентов, в полости которого соосно установлена полая цилиндрическая вибромешалка, снабженная поглощающей вставкой, насадками кольцевой формы и присоединенная к вибровозбудителю ее колебаний вдоль оси корпуса, отличающаяся тем, что поглощающая вставка выполнена цилиндрической, установлена в полости вибромешалки с зазором относительно ее внутренней стенки и жестко прикреплена к корпусу колонны, на внешней стенке вибромешалки между патрубком ввода тяжелого материала и патрубком вывода легкого материала закреплен отражатель кольцевой формы, а корпус снабжен коллектором для ввода легкого материала и сепаратором для его вывода [п. м. №39090, МПК В01 D 11/04, 2004].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, большая масса колонны, из-за встроенной погашающей вставки в полость вибромешалки, из-за чего необходимо применять мощный вибровозбудитель, а также это усложняет саму конструкцию, что приводит к снижению производительности и энергоэффективности.
Известен экстрактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, вал с установленными на нем коническими дисками, вибропривод и распределители фаз, при этом с целью интенсификации процесса массообмена, на валу установлены плоские перфорированные диски, чередующиеся с коническими [а. с. №466027, МПК В01 d11,04, 1975].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся недостаточная поверхность контакта фаз, образующая на конических дисках, что в итоге снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по назначению  и совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип, является  масообменный аппарат, содержащий корпус, перфорированные тарелки с переливными патрубками и упорными пластинами, имеющие возможность вертикального перемещения, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, на которых равномерно по окружности, соосно с упорными пластинами установлены опорные пластины, причем на краях тарелок по окружности закреплены кольца диаметром, равным среднему диаметру желоба, а между опорными и упорными пластинами установлены пружины, при этом, для создания переменной жесткости витки пружины выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом, причем крайние значения жесткости пружин определяются выражением:
,
где k - жесткость пружины, Н/м; с - скорость звука в газе (паре), м/с;          Η -расстояние между перфорированными тарелками, m – воздействующая на пружины минимальная или максимальная масса, кг;
n - число пружин на каждой тарелке [п. м. №150524, МПК B01D 3/00, 2015].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малое расстояние между пластинами и приводящая к необходимости использования пружин с высокой жесткостью. Это снижает основное время работы, а значит  производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменного аппарата является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что массообменный аппарат, содержащий корпус, перфорированные тарелки с переливными патрубками и упорными пластинами, имеющие возможность вертикального перемещения, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, на которых равномерно по окружности, соосно с упорными пластинами установлены опорные пластины, причем на краях тарелок по окружности закреплены кольца диаметром, равным среднему диаметру желоба, а между опорными и упорными пластинами установлены пружины переменной жесткости, выполненные в виде конической спирали с постоянным шагом, причем по всей длине колонны осесимметрично установлен шток, свободно проходящий между перфорированными тарелками и соединенный с вибратором, частота колебаний которого определяется выражением:
,                                           (1)
где  - частота колебаний вибратора, Гц,
k -  жесткость пружины, Н/м;
m – воздействующая на пружины минимальная или максимальная масса, кг;
n – число пружин на каждой тарелке;
а в середине между смежными тарелками на штоке жестко закреплены конические диски, при этом максимальная жесткость пружины определяется пропорцией:
,                                                  (2)
где К – максимальная жесткость, Н/м;
М – масса жидкости на тарелке, кг.
Выполнение по всей длине колонны осесимметрично установленного штока, свободно проходящего между перфорированными тарелками и соединенного с вибратором, частота колебаний которого определяется выражением (1), позволяет повысить амплитуду резонансных колебаний, что в итоге приведет к увеличению производительности.
В середине между смежными тарелками на штоке жестко закреплены конические диски, при этом максимальная жесткость пружины определяется пропорцией (2). Тогда собственная частота колебаний сухой тарелки, как физического маятника, определяется согласно выражения (1),
и тарелки с жидкостью:
.                                              (3)
При выполнении пропорции (2):
,
и при любой массе жидкости на тарелке ее собственная частота колебаний как пружинного маятника равна частоте колебаний сухой тарелки и вынужденной частоте колебаний вибратора, что приводит к колебаниям всех тарелок в резонансном режиме.
На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции массообменного аппарата в разрезе.
в
A
к
Массообменный аппарат содержит корпус 1, перфорированные тарелки 2 с переливными патрубками 3 и отверстиями 4. В местах установки тарелок 2 внутри корпуса 1 жестко закреплены кольцевые желоба 5 с внутренним диаметром D меньшим диаметра D корпуса 1. На каждом желобе 5 равномерно по окружности установлены опорные пластины 6. Соосно с опорными пластинами на каждой тарелке 2 установлены упорные пластины 7. Между опорными пластинами 6 и упорными пластинами 7 установлены пружины 8. На краях каждой тарелки 2 по окружности закреплены кольца 9 диаметром D равным среднему диаметру желоба 5, то есть с зазором относительно дна желоба. Такая свободная установка кольца 9 внутри желоба 5 позволяет совершать колебания каждой тарелки 2 в вертикальном и частично горизонтальном направлениях. Через каждую перфорированную тарелку 2 свободно проходит шток 10, на нем верху установлен вибратор 11, который обеспечивает вынужденные колебания. В середине между смежными тарелками2  установлены конические диски 12.
Массообменный аппарат работает следующим образом. Включается вибратор 11, который передает колебания через шток 10 на конические диски 12, паровую (газовую) фазу между тарелками 2 и от нее на перфорированные тарелки 2. Внутрь корпуса сверху вниз подают жидкость. Частично через отверстия 4 жидкость заполняет кольцевые желоба 5 с образованием гидрозатвора в зазорах между желобами 5 и нижними частями колец 9. Газ (пар) поднимается снизу вверх через отверстия 4, а жидкость движется вдоль тарелок 2 и стекает по переливным патрубкам 3 с верхнележащих на нижележащие тарелки 2. Каждая тарелка 2 со штоком 10, вибратором 11 и коническим диском 12, установленная на пружинах 8 с переменной жесткостью, совершает резонансные вертикальные и частично горизонтальные колебания, что интенсифицирует процесс массопереноса между взаимодействующими газом и жидкостью.
При этом при воздействии промежуточных значений масс жидкости на тарелках так же происходят резонансные колебания с высокой амплитудой. Следовательно, при любой массе жидкости на каждой тарелке обеспечиваются резонансные колебания с большой амплитудой, что позволяет интенсифицировать процесс массопереноса между жидкостью и газом и увеличивает производительность массообменного аппарата.
Пример. В массообменном аппарате, в котором идет процесс абсорбции из воздуха жидким абсорбентом паров растворителя, необходимо установить пружины 8, витки которых выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом для обеспечения резонансных колебаний тарелок 2 с вибратором 11, штоком 10 и коническим диском 12.
Масса сухой тарелки 2 m=50 кг (минимальное значение), максимальная масса жидкости на тарелке М =40 кг. Общая наибольшая масса тарелки 2 с жидкостью:
М+m =90 кг,
число пружин 8 на каждой тарелке n=6 (физические, геометрические и численные параметры взяты такие же, как в прототипе).
5
Минимальное значение жесткости каждой из 6 пружин 8 принимаем k=6,610 Н/м. Тогда максимальное значение жесткости каждой из 6 пружин 8, согласно пропорции (2), определяется в виде:
.
В этом случае необходимая частота вынужденных колебаний вибратора 11 должна быть согласно выражения (1):
,
то есть вибратор 11 на пружинах 8 с переменной жесткостью от
до
должен совершать колебания с частотой . Эта частота в раза меньше чем резонансная частота колебаний в прототипе, что связано с возможностью перемещения пружин 8 с жесткостью в 54 раза меньше, чем в прототипе.
Таким образом, предлагаемая конструкция массообменного аппарата в котором вынужденные колебания, создаваемые вибратором 11, штоком 10 и коническими тарелками 12 позволяет создавать резонансный режим колебаний тарелок 2, установленных на пружинах 8 с переменной жесткостью в 50 раз и более меньшей, чем в прототипе, уменьшить частоту колебаний, повысить резонансную амплитуду, а значит скорость массопередачи и производительность.