ПАКЕТНАЯ ВИХРЕВАЯ НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ
PACKAGE VORTEX NOZZLE FOR HEAT-AND-MASS EXCHANGE COLUMN APPARATUSES

Изобретение относится к конструктивному оформлению пакетных насадок для тепло- и массообменных колонных аппаратов, используемых для осуществления процессов абсорбции, десорбции, ректификации, мокрого пылеулавливания в химической, нефтехимической, металлургической, энергетической и в других смежных отраслях промышленности.
Одним из направлений развития современного аппаратостроения является создание высокоэффективных, компактных и малоэнергоемких установок, которые должны отличаться простотой конструкции, высокой технологичностью и надежностью в эксплуатации. Использование, по возможности, более высокой скорости газовой фазы позволяет уменьшить размер поперечного сечения аппарата. Для выполнения этого условия, с точки зрения насадочных аппаратов, необходимо применение контактных устройств с меньшим гидравлическим сопротивлением, при сохранении высокой эффективности работы.
В последнее время наметились тенденции по развитию организованных пакетных насадок, характеризующиеся развитой межфазной поверхностью контактирования фаз, более высокой скоростью движения газообразной фазы и более устойчивым противоточным режимом работы, по сравнению с другими видами насадок. Такие насадки также весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу.
В отличие от тарельчатых контактных устройств, в насадочных контактных устройствах процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения площади поверхности контакта фаз. Для этого используются пористые, сетчатые и тому подобные материалы с большой удельной поверхностью.
Используемые длительное время в промышленности аппараты с насыпной насадкой (зернистая, хордовая) подвергались усовершенствованию и оснащались более совершенными видами насадок, такими как кольца Палля, "Инталлокс", седла Берля и другие виды. Усовершенствованные насадки привели к увеличению межфазной поверхности в единице занимаемого объема, но не были лишены недостатков, характерных для насадочных мокрых скрубберов, и отличающихся, в первую очередь, малой скоростью газового потока по свободному сечению аппарата -1+1,5 м/с и малой поверхностью массообмена, так как при этих скоростях наблюдается пленочное течение жидкости. В насадочных аппаратах наблюдается также неравномерность орошения жидкостью всего объема рабочего слоя, прохождение газового потока отдельными каналами, обедненными орошающей жидкостью. Следствием этого является постепенное забивание твердыми частицами каналов, что снижает надежность и эффективность работы аппаратов.
Более развитыми контактными устройствами в колонных аппаратах являются тарелки. Конструкции разработанных и используемых в промышленности тарелок весьма разнообразны, часть из них стандартизована. Выбор типа тарелки, например, при ректификации определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций), рабочим давлением в колонне и т.п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах. В тарельчатых контактных устройствах интенсификация процесса тепломассообмена между взаимодействующими жидкой и паровой фазами обеспечивается, в основном, за счет максимально возможного увеличения относительной скорости движения фаз при барботаже газовой или паровой фазы через слой жидкости. Предельная интенсивность процесса достигается при турбулизации двухфазной системы, однако в традиционных конструкциях тарелок достичь турбулентного течения не удается из-за ограничений по скорости паровой фазы, обусловленных "захлебыванием" колонны и недопустимо высокими потерями давления в контактных устройствах. Средний уровень КПД тарелок, применяемых в настоящее время, составляет 50-70%.
Современным этапом развития контактных устройств является создание пакетных насадок, характеризующихся развитой межфазной поверхностью контактирования фаз, более высокой скоростью движения газообразной фазы и более устойчивым противоточным режимом работы, по сравнению с другими видами насадок.
Известна пакетная вихревая насадка для тепло- и массообменных аппаратов (патент РФ №2205063 от 27.05.2003), которая по технической сущности наиболее близка к заявляемой. Данная насадка представляет собой множество одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет, при этом стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе в ячейку за счет загнутых внутрь окончаний, образующих завихритель, а на выходе газового потока из ячейки окончания обеих стенок также выполнены загнутыми внутрь ячейки, перекрывая фронтальную щель и образуя второй завихритель.
Однако изобретение не позволяет существенно повысить эффективность тепло- и массопереноса в аппаратах в системах газ-жидкость, пар-жидкость за счет закрутки газожидкостного потока вокруг только горизонтальной оси в каждой ячейке, интенсивного образования и эффективной сепарации капель жидкой фазы в каждой ячейке и турбулентного течения газопарожидкостной смеси.
Предлагается пакетная вихревая насадка для колонных массообменных аппаратов, состоящая из множества одинаковых ячеек прямоугольной формы, соединенных между собой в единый пакет за счет технологии его изготовления, при этом противоположные стенки каждой ячейки смещены относительно друг друга по вертикали, перекрывая фронтальную щель на входе в ячейку за счет удлиненных, загнутых внутрь окончаний, образующих оптимальной формы завихритель, а на выходе газового потока из ячейки окончания обоих стенок выполнены удлиненными и загнутыми внутрь ячейки, перекрывая выходную фронтальную щель и образуя еще один завихритель потока на выходе из ячейки, при этом в отличие от известного патента выходная фронтальная щель каждой ячейки расположена под 90° относительно входной щели, что позволяет создавать закрутку потоков не только относительно горизонтальной оси, но также и относительно вертикальной оси. Поверхность каждой ячейки полностью или частично покрыта регулярной шероховатостью и/или перфорацией любой формы отверстий.
Ячейки в пакете, при виде сверху и снизу, собираются таким образом, чтобы фронтальные щели каждой ячейки и четырех смежных по периметру ячеек, являющимися завихрителями, были взаимно перпендикулярны, причем вихревые потоки из смежных выходных фронтальных щелей каждой ячейки направлены в разные стороны, что позволяет быстро и эффективно равномерно распределить газожидкостную систему по диаметру аппарата.
Пакетная насадка обладает высокой пропускной способностью по жидкой и газовой фазам, низким гидравлическим сопротивлением, высокими значениями коэффициентов тепло- и массообмена, равномерностью распределения жидких и газообразных потоков по диаметру аппарата, высокой сепарационной способностью по жидкой фазе, компактностью и технологичностью.
Новизна описанной пакетной насадки - развитая криволинейная поверхность, основная цель которой интенсифицировать массообменный процесс за счет наличия нескольких вихревых потоков, создаваемых специально созданными завихрителями газожидкостных потоков на входе и выходе из ячейки за счет быстрого образования и сепарации на стенках ячеек большого количества капель, причем завихритель снизу взаимно перепендикулярен верхнему завихрителю.
Насадка предназначена для тепло- и массообменных аппаратов, используемых для проведения процессов абсорбции, десорбции, разделения многокомпонентных смесей (ректификации), мокрого пылеулавливания в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической и других смежных отраслях промышленности.
Дальнейшее развитие пакетной вихревой насадки в предложенном решении заключается в существенной интенсификации тепло- и массообмена за счет закрутки газожидкостного потока не только вокруг горизонтальной оси в каждой ячейке, но также и вокруг вертикальной оси за счет того, что завихрители на входе и на выходе из ячейки взаимно перпендикулярны.
Предлагаемая пакетная вихревая насадка работает следующим образом. В рабочем режиме при противоточном движении фаз: газ или пар-жидкость при турбулентном и закрученном за счет наличия завихрителей движении газа или пара происходит интенсивное образование и одновременная сепарация капель жидкой фазы на стенках ячейки, в результате чего образуется развитая поверхность контакта фаз, реализуются высокие коэффициенты тепло- и массопередачи и в то же время снижается гидравлическое сопротивление каждой ячейки за счет более быстрого образования и осаждения капель на стенках вследствие того, что закрутка газа или парожидкостного потока осуществляется не только относительно горизонтальной оси, но также и относительно вертикальной оси в связи с перпендикулярным расположением входных и выходных завихрителей каждой ячейки. Благодаря такой организации завихрителей в каждой ячейке расширяется диапазон устойчивого «псевдоэмульсионного» режима работы насадки при малом ее гидравлическом сопротивлении. Так же как и в прототипе в каждой ячейке образуется вихрь, который движется уже по более сложной траектории в связи с его закруткой относительно уже двух осей - горизонтальной и вертикальной.
3
2
Диапазон рабочих скоростей по газовой фазе 2÷6 м/с, диапазон рабочих плотностей орошения 20÷100 м/(м·ч). Гидравлическое сопротивление 1-го слоя высокоинтенсивной пакетной вихревой насадки менее 100 Па. Доля свободного сечения - 0,74÷0,99.
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
В качестве иллюстрации сравнения на фиг.1, 2 приведено сравнение гидравлического сопротивления и количества единиц переноса на одном метре колонного аппарата для четырех видов контактных устройств (насадок) -традиционных - колец Рашига и псевдоожиженной насадки (ПСОН), одного из наиболее эффективных насадочных контактных устройств - насадки фирмы "Зульцер"(на примере Mellapak 250.X) и предлагаемой нами модифицированной пакетной вихревой насадки (ПВН). Справа от градиентов обозначения: ряд 1 - ПСОН: П=40 м/мч; ряд 3 - кол. Рашига: П=20 м/мч; ряд 2 - кол. Рашига: П=40 м/мч; ряд 6 - ПВН "НТ": П=20 м/мч; ряд 5 - ПВН "НТ": П=40 м/мч; ряд 4 - 250.Х: П=20 м/мч. А - ПВН (П=20 м/мч), В - Кольца Рашига (П=20 м/мч), С - ПВН (П=40 м/мч), D - ПСОН (П=20 м/мч), Е - Mellapak 250.Х (П=20 м/мч).
Представленные на фиг.1, 2 данные свидетельствуют о том, что гидравлическое сопротивление предлагаемой вихревой пакетной насадки во много раз меньше гидравлических сопротивлений других насадок при одной плотности орошения, а эффективность выше. Справа от градиентов обозначения:
Высокие параметры режимов работы предлагаемой пакетной вихревой насадки и ее конструктивные особенности позволяют создавать аппараты диаметром, в 2-4 раза меньшим по сравнению с современными, а по высоте (длине) в 4-6 раз меньшим. Таким образом, аппараты, созданные на основе предлагаемой насадки, обладают металлоемкостью, меньшей до 8 раз, а по энергетическим затратам (гидравлическое сопротивление) в 2-3 раза меньшим, чем современные аппараты. На фиг.3 представлена пакетная вихревая насадка диаметром 300 мм.
Преимущества пакетной вихревой насадки:
Высокие оптимальные скорости газовой или паровой фазы (3-5,5 м/с).
Низкое гидравлическое сопротивление аппарата (в 2-3 раза меньшее, чем современные аппараты) при больших расходах газа и жидкости.
Малая высота единицы переноса, приводящая к небольшим габаритам колонных аппаратов.
3
Высокий средний объемный коэффициент массоотдачи 12000-13000 кг/мч.
В связи с высокими скоростями движения газовой или паровой фазы, высокими плотностями орошения и малыми высотами единицы переноса - малые габариты аппарата.
Предлагаемая пакетная вихревая насадка обладает также легкостью масштабирования при переходе к аппаратам большего диаметра, так как при переходе от малого диаметра к большему увеличивается лишь количество вихревых ячеек.
Насадка обладает хорошей перераспределяющей способностью жидкой фазы по сечению аппарата даже при подаче последней в одну точку.
Специальные характеристики:
- Перепад давления на 1 теоретическую ступень контакта 10.160 Па в зависимости от плотности орошения
3
2
- Максимальная исследованная нагрузка по жидкости - 100 м/(м×ч)
- Диапазон скоростей по газу 1,6 м/с
- Обладает самораспределяющим эффектом по жидкой и газовой фазам
- Доля свободного сечения 95,98% в зависимости от толщины листа конструкционного материала
Предпочтительные области применения:
- от нормального до избыточного давления
- малые, средние и крупномаштабные производства
- повышение производительности действующих тарельчатых и насадочных колонн
- химическая, биохимическая, нефтехимическая, металлургическая, а также для решения экологических проблем
Представленный образец пакетной вихревой насадки выполнен из конструкционного материала - 08Х18Н10Т, толщина листового материала - 0,3-0,5 мм.