PL100233B1 - Uklad polaczen w bryly elementow wypelnienia usypowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest uklad polaczen w bryly elementów o ksztalcie pierscienia lub wieloboku foremnego wypelnienia usypowego, stosowanych w urzadzeniach sluzacych do wymiany masy i ciepla oraz do oddzielania czastek cial stalych i cieklych z gazów, a takze do przeprowadzania reakcji chemicznych z katalizatorem i bez katalizatora.

W dotychczasowej praktyce przemyslowej stosuje sie na ogól wypelnienia usypowe jak pierscienie Raschiga,Palla, wedlug polskiego opisu patentowego nr 55193 oraz tym podobne nieregularnie usypane ksztaltki, których wzajemne ustawianie sie pod wzgledem siebie jest zupelnie przypadkowe. Jedynie w niektórych sporadycznych przypadkach stosowana sa wypelnienia ukladane regularnie, przy czym sa to przewaznie wypelnienia wiekszych rozmiarów i recznie ustawiana.

Z prostych rozwiazan geometrycznych popartych obliczeniami oraz z doswiadczen praktycznych wynika, ze w przypadku regularnego ukladania elementów wypelnienia pierscieniowego zmiescic mozna w jednostce objetosci 20—40% wiecej elementów, a zatem o ten sam procent nastapi wzrost powierzchni wlasciwej. Ostatnie badania niektórych wypelnien wykazaly, ze elementy ukladane daja lepsze wskazniki eksploatacyjne od wypelnien, w których elementy te sa usypane nieregularnie. Jednak bardzo pracochlonne byloby wypelnianie systemem ukladanym kolumny o srednicy 2,5 m i wysokosci 10 m pierscieniami srednicy 50 mm dowolnego typu, których ilosc w zaleznosci od przyjetego systemu ukladania moze wyniesc do 380 000 -450 000 sztuk.

Obecnie w przemysle chemicznym stosowane sa kolumny o srednicy 10 m i wysokosci do 60 m i wiekszej, których pojemnosc wypelnien moze byc rzedu 5000 m3, a ilosc pierscieni jaka w niej sie moze pomiescic nawet srednicy 100 mm wyniesie okolo 5 000 000 sztuk.

Celem wynalazku jest zaprojektowanie ukladu polaczen w bryly elementów wypelnienia usypowego, który zapewnialby maksymalne rozwiniecie powierzchni w jednostce objetosci oraz zlikwidowalby nieuniknione kominy wystepujace przy luznym ich usypaniu. Ponadto rozwiazanie wedlug wynalazku ma stworzyc identyczne warunki rozdzialu dla wymiany i reakcji mediów wieloskladnikowych i wielofazowych oraz ma zapewnic uzyskanie jednakow/ch stanów równowagi w calym przekroju poprzecznym do kierunków przeplywu mas na dowolnym poziomie.2 100 233 Uklad polaczen w bryly elementów wypelnienia usypanego wedlug wynalazku charakteryzuje sie tym,ze elementy wypelnienia w ksztalcie pierscieni lub wieloboków foremnych polaczone sa w bloki o przekroju prostokata, trójkata lub rombu. Osie tych elementów leza w jednej linii.a ich sasiadujace warstwy sa przesuniete wzgledem siebie o wielkosc d/2, gdzie d oznacza srednice elementu. Ponadto elementy wypelnienia sa zaopatrzone w uchwyty, naciecia lub zamki o dowolnej konstrukcji usytuowane najkorzystniej na obwodzie obrzezy elementów i sluzace do laczenia elementów wypelnienia w bloki. Niektóre elementy wypelnien posiadaja na obrzezach okienka, które maja na przemian przeciecia pozwalajace na wzajemne polaczenie.

Istotne jest takze to, ze w wolnych powierzchniach utworzonych z elementów wypelnien znajduja sie mniejsze elementy dowolnego ksztaltu o dowolnie rozwinietej powierzchni, najkorzystniej„ w ksztalcie kuli, stozka, rozety oraz gwiazd, które wykonane sa z blach pelnych albo perforowanych wzglednie z siatek. Tewolne przestrzenie ukladu moga byc równiez zaopatrzone w dodatkowe wypelnienia statyczne lub dynamiczne, które zawieraja skrzydelka lub kierownice a ponadto usytuowane sa tak, ze pod wplywem naporu przeplywajacych w przeciwpradzie fazy gazowej i cieklej, element ten wprawiony jest w ruch obrotowy, dzieki czemu intensyfikuje warunki wymiany masy, przy czym usytuowany jest w osi pierscienia albo na wewnetrznej czesci pobocznicy wypelnienia w dowolny sposób, wzglednie usytuowanie jego jest swobodne.

Zaleta strukturalnego ukladu polaczen wedlug wynalazku jest to, ze pozwala na laczenie elementów wypelnien pierscieniowych w bloki dowolnego ksztaltu oraz rur zawierajacych od kilku do kilkuset i wiecej sztuk elementarnych wypelnien. Uklad pozwala w znacznym stopniu skrócic czas zaladowania kolumn, niemal calkowicie eliminuje wady wypelnien usypowych usytuowanych nieregularnie i przypadkowo ulozonych.

Zaopatrzenie elementów wypelnien, zwlaszcza w ksztalcie pierscieni w uchwyty, lopatki, naciecia lub zamki dowolnej konstrukcji odpowiednio rozmieszczonych na obwodzie pozwala laczyc ze soba zarówno w pionie jak i w poziomie i tworzyc wszystkie mozliwe kombinacje i przypadki ukladów polaczen symetrycznych, a takze nieskonczona ilosc przypadków ukladów niesymetrycznych. Ponadto uklad polaczen w postaci rury moze byc zestawiany w odpowiednie pakiety od kilku do kilkuset i wiecej sztuk rur o dowolnym wymiarze i ksztalcie figury plaskiej lub srednicy oraz zadanej wysokosci.

Ukladanie pierscieni w szereg i wzwyz oraz tworzenie struktury liniowej daje plaskie segmenty o dowolnych wymiarach i powierzchniach w postaci sciany, w której kazdy z szeregów podsobnych i nadsobnych jest wzgledem siebie przesuniety od/2. Sciany te mozna zestawiac na zadana dlugosc odpowiadajaca srednicy kolumny D lub dowolnej dlugosci jej cieciwy oraz na wysokosc odpowiadajaca wysokosci segmentu lub pólki.

W ukladzie tym kazdy z elementów pierscieni oprócz zewnetrznych oraz górnych i dolnych szeregów polaczony jest w czterech punktach z szeregiem podsobnym i nadsobnym oraz zwiazany jest z dwoma pierscieniami nad i pod soba. Uklad taki moze pomiescic o okolo 20% wiecej elementów wypelnienia w jednostce objetosci niz w przypadku luznego ich usypania. W I m3 miesci sie 7700 sztuk elementarnych pierscieni srednicy 50 mm.

Najwieksza ilosc wypelnien pierscieniowych miesci uklad rombowy przestrzennie zwiazany. Zawiera on w 1 m3 az 8980 sztuk pierscieni srednicy 50 mm czyli o okolo 40% wiecej od luzno usypanych. Kazdy pierscien oprócz skrajnych oraz lezacych w dolnej i górnej warstwie, wiaze ze soba po cztery pierscienie pod i nad soba i posiada szesc punktów stycznych do pobocznicy symetrycznie ulozonych na obwodzie z sasiednimi pierscieniami. Taki uklad pozwala budowac segmenty i bloki o dowolnych rozmiarach i ksztaltach o przestrzen¬ nie rozwinietej symetriistrukturalnej. I Najmniejsza ilosc pierscieni ukladanych miesci w sobie uklad kwadratowy przesuniety, którego 1 m3 zawiera 7610 sztuk pierscieni srednicy 50 mm, a wiec tylko o 19% wiecej niz luzno usypanych. W ukladzie tym kazdy z pierscieni polaczony jest z czterema pierscieniami nad i pod soba. Uklad ten jest najbardziej sy¬ metrycznym zestawem pierscieni i charakteryzuje sie najwyzszym wskaznikiem objetosci swobodnej.

Równiez duzy stopien symetrii cechuje uklad rombowy, w którym ani jedna z osi symetrii w jednej warstwie nie pokrywa sie z osiami drugiej warstwy.

Bardzo wygodne jest takze ukladanie elementów wypelnienia w rury lub pakiety rur dowolnej grubosci i wysokosci, lecz wdanym przypadku zachodzi koniecznosc nieco odmiennego sposobu wykonania zlacz i usytuowania ich na obwodzie pierscienia na obu jego krawedziach. Najkorzystniej jest tego rodzaju uklady zestawiac z elementów wypelnienia wykonanych z tworzyw sztucznych i metalowych, które nalezy zaopatrzyc w odpowiednie lapki z pazurkami i otwory lub wgniecenia, wzglednie w sworznie i gniazda lub w rdzenie laczace sie na zatrzask. Ponadto na krawedziach wypelnienia wykonanych z tworzyw sztucznych i metalowych mozna dodatkowo sporzadzic naciecia lub innego rodzaju uchwyty umozliwiajace polaczenie tych elementów w dowolny uklad.

Rozwiazanie ukladu polaczen elementów wypelnienia wedlug wynalazku pozwala zwiekszyc powierzchnie wlasciwa uzyskiwana z jednostki objetosci od kilkunastu do okolo 55%, a przez wprowadzenie do100233 3 wolnych przestrzeni mniejszych wypelnien tego samego typu lub innych ksztaltów pozwalaja zwiekszyc powierzchnie wlasciwa o dalszych kilkadziesiat procent. Przez wprowadzenie do wolnych przestrzeni na przyklad pierscieni Raschiga srednicy 50 mm dwóch kolejnych mniejszych srednic pierscieni, a mianowicie 35 i 25 mm, mozna uzyskac dodatkowo 129% wiecej powierzchni wlasciwej od powierzchni srednicy 50 mm luzno usypanych, a przez naciecie obrzezy wewnetrznych pierscieni oraz odpowiednie uformowanie otrzymanych zabków mozna w tych warunkach uzyskac wielokrotnie wyzszy wspólczynnik wymiany masy'lub ciepla i inne wyzsze wskazniki technologiczne i mimo wprowadzenia tej perforacji obrzezy osiagnac znacznie nizszy spadek cisnienia od wypelnienia Raschiga luzno usypanych tylko srednicy 50 mm.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykladach wykonania na rysunkach, na których fig-1 przedstawia strukturalny uklad polaczen zestawionych liniowo w widoku z góry, fig. 2—uklad polaczen elementów zestawionych przestrzennie w ukladzie rombowym w widoku z góry, fig. 3 — uklad polaczen elementów wypelnien zestawionych przestrzennie, w przesunietym ukladzie kwadratowym w widoku z góry, fig. 4 — uklad polaczen elementów wypelnien zestawionych przestrzennie w przesunietym ukladzie rombowym, fig. 5 — uklad polaczen elementów wypelnien zestawionych w rure czesciowo w widoku z boku i czesciowo w przekroju,fig. 6 — przedstawia szczegól laczenia elementu pierscieniowego czesciowo w przekroju wzdluznym i czesciowo w widoku z boku, fig. 7 — szczegól elementu pierscieniowego w czesciowym przekroju wzdluznym i czesciowym widoku wspólpracujacy z elementem przedstawionym na fig. 6, fig. 8 — szczegól laczenia elementu pierscieniowego czesciowo w przekroju wzdluznym i czesciowo w widoku z boku, fig.9—element wspólpracujacy z elementem przedstawionym na fig. 8, fig. 10 —inny szczegól laczenia elementu pierscieniowego w czesciowym widoku z boku i czesciowym przekroju wzdluznym, a fig. 11 przedstawia element wspólpracujacy z elementem przedstawionym na fig. 10. fig.12 —w widoku z góry ksztalt elementu powstaly z naciecia i odciecia obrzezy pierscienia cylindrycznego, fig. 13 — szczegól laczenia dwóch pierscieni wpuszczonych jeden w drugi w widoku z boku i czesciowo w przekroju wzdluznym, fig. 14—w przekroju wzdluznym zespól polaczonych ze soba róznych typów pierscieni o jednakowej srednicy zawierajacych wewnatrz mniejsze elementy wypelnienia, fig. 15— rozbudowana wewnetrznie powierzchnie elementu pierscieniowego w widoku z góry, fig. 16 — rozbudowana wewnetrzna powierzchnie elementu pierscieniowego *a fig. 17 przedstawia dalsza rozbudowana wewnetrzna powierzchnie elementu pierscieniowego- Jak uwidoczniono na rysunkach strukturalny uklad polaczen i zestawien w bryly elementów wypelnienia usypowego wedlug wynalazku sklada sie z pierscieniowych elementów wypelnienia 1 oraz z pierscieniowych elementów wypelnien 2. Kazdy z elementów wypelnienia 1 i 2 w zaleznosci od procesu chemicznego, w którym bedzie wykorzystany do wymiany masy i ciepla zaopatrzony jest w prostokatne wyciecia 3, rombowe wyciecia 4, trójkatne wyciecia 5 lub lukowe wyciecia 6, przy czym wyciecia 3^6 sa odgiete najkorzystniej do srodka elementu pierscieniowego 1 lub 2. Ponadto w zaleznosci od wymogów procesu chemicznego niektóre elementy wypelnienia 1 lub 2 wyposazone sa w dodatkowe elementy wymiany ciepla i masy 7 statyczne lub dynamiczne posiadajace ksztalt kuli lub walca albo rury. Równiez niektóre elementy wypelnienia 1 i 2 wyposazone sa w pierscieniowe elementy statyczne i dynamiczne 8 usytuowane korzystnie w osi elementów wypelnien 1 i 2.

Dla umozliwienia budowy ukladów strukturalnych z elementów wypelnien 1 i 2, elementy te posiadaja zamki 9 korespondujace z gniazdami 10, przy czym uksztaltowanie zamków 9 i gniazd 10 na obrzezach 11 elementów wypelnien 1 i 2 jest takie, ze niezaleznie od osiowego usytuowania koresponduja ze soba, dzieki czemu ulatwia¬ ja latwy montaz w bloki, kolumny lub tym podobne uklady przestrzenne. Zamki 9 sa w ksztalcie litery „L" lub tez w ksztalcie walca zakonczonego kuliscie, który wspólpracuje z gniazdem 12 uksztaltowanym na zew¬ netrznej powierzchni elementu wypelnien 1 i 2.

Inne rozwiazanie zamka 13 i gniazda 14 polega na tym,ze sa usytuowane w osi elementu wypelnienia 1 i 2.

Dla ulatwienia przeplywu czynnika wymiany masy lub ciepla uklady strukturalne w ksztalcie kolumny przedstawionej na fig. 5 posiadaja szczeliny 15 utworzone z odpowiedniej konstrukcji zamków 9 lub 13 albo gniazd 10 i 14.

Dla zwiekszenia efektywnosci procesu wymiany masy lub ciepla w zaleznosci od procesu obrzeza elementów wypelnien 1 i 2 od stron czolowych maja wyciecia 16 i 17, które sa na przemian wygiete. Elementy wypelnienia 1 i 2 posiadaja takze kierownice 18, ulozyskowane w osi elementu lub kierownica 18 uksztaltowana dowolnie i usytuowana swobodnie w elemencie 1 lub 2, przy czym kierownica moze byc pod wplywem naporu przeplywajacych w przeciwpradzie fazy gazowej i cieklej wprawiana w ruch, dzieki czemu intensyfikuje nachodzaceprocesy.

Na figurach 6"-Ml[przedstawione sa przykladowe ksztalty zamków 9 i gniazd 10 w elementach wypelnie¬ nia 1 i 2, pozwalajace na staly montaz i demontaz dowolnych ukladów strukturalnych polaczen elementów^ wypelnien.

Na figurze 12 przedstawiono wyciecia 19 i 20 na krawedziach obrzezy elementów wypelnien 1 i 2 odgiete na ksztalt wycinków kola lub odcinków sinusoidalnych. Na figurach 15, 16 i 17, przedstawione sa elementy4 100 233 wypelnienia 1 i 2, które zaopatrzone sa w rozbudowane powierzchnie utworzone z wkladów 26 do wymiany masy lub ciepla. Powierzchnie rozbudowane wkladów 26 maja ksztalt wygiec grzebieniowych 21, jaskólczego ogona 22, wygiec w ksztalcie stozków 23 lub wygiec trójkatnych o zaokraglonych wierzcholkach 24, albo tez nieregularnych wygiec kola 25 lub nieregularnych wygiec trójkatnych 27.

Laczenie ze soba poszczególnych elementów wypelnienia 1 i 2 moze odbywac sie w poziomie i w pionie za pomoca dowolnie ulozonych po zewnetrznej i wewnetrznej czesci wypelnienia lub od czola ich podstaw odpowiednich zlacz dowolnej konstrukcji zapewniajacej rozlaczne lub nierozlaczne polaczenie elementów wypelnienia.

Sposób ukladania i laczenia oraz zestawianie i montowanie elementów wypelnienia 1 i 2 w odpowiednie bryly moze byc wykonywany recznie lub automatycznie, które z kolei moga byc ukladane w duze zespoly-bloki i w takiej postaci transportowane i montowane w kolumnach lub innego rodzaju aparatach.

Poniewaz wytrzymalosc na zginanie wszystkich elementów pierscieniowego wypelnienia 1 i 2 jest w kierunku osiowym zawsze znacznie wyzsza od wytrzymalosci w kierunku promieniowym, a ukladane w proponowany sposób elementy wypelnienia pracuja na zgniatanie jedynie w kierunku osiowym, do wytwarzania elementów montowanych w odpowiednich zespolach stosowac mozna znacznie ciensze materialy. co daje dodatkowe korzysci w postaci zwiekszenia objetosci swobodnej w stosunku do powierzchni uzyskiwanej z jednostki objetosci i zmniejszenia jej ciezaru objetosciowego.

Niektóre procesy wymiany masy, a zwlaszcza procesy prowadzone pod próznia wymagaja stosowania elementów zabudowy, a w szczególnosci wypelnien stawiajacych bardzo male opory przeplywu, a tym samym dajacych niskie spadki cisnien, przy czym niekiedy uzyskanie niskich oporów przeplywu celowe jest nawet kosztem pewnego zmniejszenia powierzchni wymiany masy lub zastosowania mniej sprawnych elementów wypelnienia.

Strukturalny uklad polaczen wedlug wynalazku umozliwia wprowadzenie w poszczególnych warstwach róznych rodzajów wypelnien i celowe wykorzystanie ich róznic we wlasnosciach. I tak na przyklad mozna wprowadzic uklad elementów wypelnienia 1 i 2 skladajacy sie z kilku do kilkunastu warstw elementów wypelnien dajacych przy ich pionowym ustawieniu nieco wyzsze opory lecz zapewniajacych dobre rozprowadzenie cieczy i gazów. Równiez uklad kilku do kilkudziesieciu warstw elementów wypelnienia daje; przy pionowym ustawieniu niskie opory przeplywu. W ten sposób mozna wielokrotnie ustawiac na przemian raz jeden, a raz drugi typ wypelnienia az na dowolna wysokosc lub wysokosc calej kolumny.

W przykladach, w których bardziej celowe jest zwiekszenie wymiany kosztem chociazby nawet zwiekszenia oporów przeplywu do warstw pierscieni nie posiadajacych zabudowy wewnetrznej lub posiadajacych pólki, wprowadzic mozna dodatkowe elementy wypelnienia dowolnego ksztaltu lub typu, o wymiarach dobranych w ten sposób, aby miescily sie one wewnatrz elementów wypelnienia 1 i 2 tworzacych strukture szkieletu nie stawiajacej duzych oporów w przeplywie mediów, a posiadaly mozliwie maksymalnie rozwinieta powierzchnie. Zaleta wynalazku jest takze to, ze wszelkiego rodzaju elementy wypelnien zapelniajacych wnetrza poszczególnych elementów wchodzacych w sklad struktury moga byc wykonane nawet z\ bardzo miekkich i puszystych materialów, bez obawy uszkodzenia lub zniszczenia ich struktury.

Czesto w wielu reakcjach chemicznych, a takze w przypadku procesu adsorpcji, w którym proces desorpcji przeprowadzany jest w tym samym urzadzeniu bez koniecznosci wyjmowania sorbentów, wystepuja zagadnienia powierzchni, a szczególnie materialów powierzchniowo czynnych jak katalizatorów i sorbentów oraz przestrzennego tich ulokowania. Wówczas w zabudowana strukture szkieletu ulozonego z elementów wypelnienia 1 i 2 wedlug wynalazku mozna do wnetrz poszczególnych pierscieni wlozyc odpowiednie materialy katalizujace reakqe chemiczne lub inhibitory, sorbenty i inne substancje uksztaltowane w róznej formie lub nasycone na powierzchniach dowolnie uformowanych elementach . wzglednie na siatkach lub w woreczkach siatkowych.

Claims (10)

Zastrzezenia patentowe

1. Uklad polaczen w bryly elementów wypelnienia usypowego, z elementów w ksztalcie pierscienia lub wieloboku foremnego, znamienny tym, ze elementy wypelnienia 1 i 2 polaczone sa w bloki o przekroju prostokatna, trójkata lub rombu, a ich osie leza w jednej linii, przy czym sasiadujace warstwy elementów wypelnienia (1 i 2) sa przesuniete wzgledem siebie o wielkosc d/2, gdzie d oznacza srednice elementu.a ponadto elementy wypelnienia (1 i 2) zaopatrzone sa w zamki (9) korespondujace z gniazdami (10), usytuowane najkorzystniej na obwodzie skrajnych obrzezy elementów wypelnienia (1 i 2) sluzace do laczenia tych elementów w dowolne uklady strukturalne.

2. Uklad polaczen wedlug zastrz. 1,znamienny tym. ze niektóre elementy wypelnien (1 i 2) maja na obrzezach (11) gniazda (10) wspólpracujace ze szczelinowymi zamkami (9), przy czym rozmieszczenie gniazd100 233 5 (10) i szczelinowych zamków (9) na sasiednich obrzezach (11) w zabudowie strukturalnej jest zawsze przemienne w celu wzajemnego zazebienia.

3. Uklad polaczen wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze w wolnych przestrzeniach utworzonych ze strukturalnego polaczenia elementów wypelnienia (1 i 2) w bloki usytuowane sa dodatkowo elementy wymiany ciepla i masy (7) w ksztalcie kuli, walca rury albo pierscienie o swobodniej rozwinietej powierzchni.

4. Uklad polaczen wedlug zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, ze elementy wypelnienia (1 i 2) na obrzezach (11) zaopatrzone sa w wyciecia (16 i 17), które sa na przemian wygiete i sluza do intensyfikacji procesu wymiany masy lub ciepla.

5. Uklad polaczen wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze elementy wypelnienia (1 i 2) zaopatrzone sa w rozbudowane powierzchnie utworzone z wkladów (26) do wymiany masy lub ciepla.

6. Uklad polaczen wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze powierzchnie rozbudowanych wkladów (26) maja ksztalt wygiec grzebieniowych (21), jaskólczego ogona (22), wygiec w ksztalcie stozków (23) lub wygiec trójkatnych o zaokraglonych wierzcholkach (24) albo tez nieregularnych wygiec kola (25) lub nieregularnych wygiec trójkatnych (27).

7. Uklad polaczen wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze powierzchnie rozbudowanych wkladów (26) wykonane sa z materialów pelnych, perforowanych wzglednie z siatek.

8. Uklad polaczen wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze w wolnych przestrzeniach elementów wypelnienia (1 i 2) znajduja sie dodatkowe kierownice (18) ulozyskowane w osiach elementów lub umieszczone swobodnie, które sa wprawiane w ruch pod wplywem naporu przeplywajacej w przeciwpradzie fazy gazowej i cieklej.

9. Uklad polaczen wedlug zastrz. 8, znamienny tym, ze kierownice (18) uksztaltowane sa w dowolne ksztalty, intensyfikujace zachodzace procesy.

10. Uklad polaczen wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze elementy wypelnienia (1 i 2) maja wyciecia (19 i 20) na krawedziach obrzezy (11), przy czym wyciecia (19 i 20) sa odgiete na ksztalt wycinków pierscienia lub powierzchni sinusoidalnych. fig. 2.100 233 fig. 5. fig 4.100 233 fig. W. n^j ra fig 12. fig. 13. L 17 16 3 tur ^-^l fig. 14.100 233 fig. 17. Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120+18 Cena 45 zl