RU160198U1

RU160198U1 - NOZZLE FOR HEAT AND MASS EXCHANGE PROCESSES

Info

Publication number: RU160198U1
Application number: RU2015150458/05U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Голованчиков; Петр Сергеевич Васильев; Александр Викторович Ляпков; Ксения Васильевна Чёрикова; Михаил Владимирович Топилин; Петр Олегович Тищенко
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2016-03-10

Abstract

Насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде уложенных упорядоченно в ряды, расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены пружиной, отношение наружного диаметра внутреннего кольца к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:,где h и Н - соответственно высоты внутреннего и наружного колец, отличающаяся тем, что снабжена дополнительным телом вращения, установленным с внешней стороны наружного кольца на расстоянии от него и соединенным пружиной, проходящей через боковую стенку наружного кольца, с внутренним кольцом, при этом высота внутреннего кольца равна высоте дополнительного тела вращения, а пружина соединяет внутреннее кольцо, наружное кольцо и дополнительное тело вращения в точках, равноудаленных от их торцов, при этом отношение:,где dи D- соответственно внешние диаметры дополнительного тела вращения и наружного кольца, мм.Nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of stacked orderly in rows located one inside the other and connected by rotation bodies having the form of cylindrical surfaces, the inner rotation body is located at a distance from the outer rotation body, while the rotation bodies are made in the form of Raschig rings and connected by a spring, the ratio of the outer diameter of the inner ring to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the ratio of their heights lies in the range: where h and H are the heights of the inner and ring, characterized in that it is equipped with an additional body of rotation mounted on the outer side of the outer ring at a distance from it and connected by a spring passing through the side wall of the outer ring with the inner ring, while the height of the inner ring is equal to the height of the additional body of rotation, and the spring connects the inner ring, the outer ring and the additional body of revolution at points equidistant from their ends, the ratio:, where d and D are, respectively, the outer diameters of the additional body of rotation and ringer ring, mm.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам для проведения тепло- и массообменных процессов в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, атомной, теплотехнической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки жидкостей и газов при проведении процессов абсорбции, экстракции и ректификации.The proposed technical solution relates to contact elements for carrying out heat and mass transfer processes in the chemical, petrochemical, metallurgical, engineering, nuclear, heat engineering and other industries, as well as in environmental processes for cleaning liquids and gases during the processes of absorption, extraction and rectification.

Известны насадки, выполненные в виде тонкостенных колец, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца, изготовленные из керамики, фарфора, металла или полимеров (Рамм, В.М. Абсорбция газов; изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976. - с. 312.; Насадки массообменных колонн. Под общей редакцией Д.А. Баранова. - М.: Инфохим, 2009. - с.с. 17, 57, 58, 63, 64, 80, 111, 150.)Known nozzles made in the form of thin-walled rings, the outer diameter of which is usually equal to the height of the ring, made of ceramics, porcelain, metal or polymers (Ramm, V.M. Gas Absorption; 2nd edition, revised and additional - M. : Chemistry, 1976. - S. 312 .; Nozzles of mass transfer columns. Under the general editorship of D. A. Baranov. - M .: Infokhim, 2009. - P. 17, 57, 58, 63, 64, 80, 111 , 150.)

К недостаткам этих конструкций насадок относятся невысоко развитая поверхность колец, на которой происходят процессы тепло- и массообмена, и неподвижность этой поверхности во времени протекания этих процессов, что приводит к образованию застойных зон и снижению производительности.The disadvantages of these nozzle designs are the low-developed surface of the rings, on which heat and mass transfer processes occur, and the immobility of this surface in the time course of these processes, which leads to the formation of stagnant zones and a decrease in productivity.

Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого тел вращения из спиральной полосы, оба тела вращения имеют идентичную форму и выполнены в виде коаксиальных цилиндрических поверхностей, причем внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, а высота внутреннего и наружного тел вращения одинаковая (авторское свидетельство СССР №701675, МПК B01D 53/20, 05.12.1979 г.).Known nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of one located inside the other bodies of revolution from a spiral strip, both bodies of revolution have the same shape and are made in the form of coaxial cylindrical surfaces, with the inner body of revolution located at a distance from the outer body of rotation, and the height the internal and external bodies of revolution are the same (USSR author's certificate No. 701675, IPC B01D 53/20, 12/05/1979).

К недостаткам этой насадки относится недостаточное увеличение поверхности контакта фаз из-за выполнения обоих тел вращения из спиральной полосы, а также невозможности совершать колебания из-за жесткого соединения внешнего в внутреннего тел вращения друг с другом, что уменьшает интенсивность тепло- и массообменных процессов и приводит к снижению производительности.The disadvantages of this nozzle include an insufficient increase in the contact surface of the phases due to the execution of both bodies of revolution from the spiral strip, as well as the inability to make oscillations due to the rigid connection of the external bodies of revolution with each other, which reduces the intensity of heat and mass transfer processes and leads to to performance degradation.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, относится насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде уложенных упорядоченно в ряды, расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, при этом внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, сами тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены на торцевых частях посредством не менее двух пружин, при этом отношение наружного диаметра внутреннего кольца к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:The closest technical solution for the totality of features to the claimed object and adopted as a prototype is a nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of stacked orderly in rows located one inside the other and connected rotation bodies having the form of cylindrical surfaces, while the inner body of rotation is located at a distance from the external rotation body, the rotation bodies themselves are made in the form of Raschig rings and connected at the end parts by at least two springs, while the outer diameter of the inner ring to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the ratio of their heights lies in the range:

где h и Н - соответственно высоты внутреннего и наружного колец (патент на полезную модель РФ №148733, B01Y 19/00, 10.12.2014 г.).where h and H are the heights of the inner and outer rings, respectively (patent for a utility model of the Russian Federation No. 148733, B01Y 19/00, 12/10/2014).

К недостаткам этой насадки относится ограниченная поверхность контакта фаз при установке элементов такой насадки упорядоченно в ряды на опорных решетках внутри колонны, проскок потоков жидкости и газа в зазор между внешними смененными боковыми поверхностями наружных колец без колебаний границы раздела фаз жидкости и газа, что снижает интенсивность тепло- и массообменных процессов и приводит к уменьшению производительности.The disadvantages of this nozzle include the limited contact surface of the phases when installing the elements of such a nozzle in order in rows on the support gratings inside the column, the breakthrough of fluid and gas flows into the gap between the outer alternate side surfaces of the outer rings without fluctuations in the interface between the liquid and gas phases, which reduces the heat intensity - and mass transfer processes and leads to a decrease in productivity.

Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепло- и массообменных процессов является увеличение интенсивности тепло- и массообмена.The technical result of the proposed nozzle design for heat and mass transfer processes is to increase the intensity of heat and mass transfer.

Поставленный технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде уложенных упорядоченно в ряды, расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены пружиной, отношение наружного диаметра внутреннего кольца к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:The technical result achieved is achieved by the fact that the nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of stacked orderly in rows located one inside the other and connected by rotation bodies having the form of cylindrical surfaces, the inner rotation body is located at a distance from the outer rotation body, while rotation bodies are made in the form of Raschig rings and are connected by a spring, the ratio of the outer diameter of the inner ring to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the ratio of their heights lies in affairs:

где h и Н - соответственно высоты внутреннего и наружного колец, причем насадка снабжена дополнительным телом вращения, установленным с внешней стороны наружного кольца на расстоянии от него и соединенным пружиной, проходящей через боковую стенку наружного кольца, с внутренним кольцом, при этом высота внутреннего кольца равна высоте дополнительного тела вращения, а пружина соединяет внутреннее кольцо, наружное кольцо и дополнительное тело вращения в точках, равноудаленных от их торцов, при этом отношение:where h and H are respectively the heights of the inner and outer rings, and the nozzle is provided with an additional rotation body mounted on the outer side of the outer ring at a distance from it and connected by a spring passing through the side wall of the outer ring with the inner ring, while the height of the inner ring is the height of the additional body of revolution, and the spring connects the inner ring, the outer ring and the additional body of rotation at points equidistant from their ends, the ratio:

где d_н и D_н - соответственно внешние диаметры дополнительного тела вращения и наружного кольца, мм.where d _n and D _n - respectively, the outer diameters of the additional body of revolution and the outer ring, mm

Снабжение насадки дополнительным телом вращения, позволяет увеличить поверхность контакта фаз, участвующих в тепло- и массообменном процессе.Providing the nozzle with an additional body of revolution allows increasing the contact surface of the phases involved in the heat and mass transfer process.

Установка снаружи наружного кольца дополнительного тела вращения с высотой, равной высоте внутреннего кольца, предотвращает касание торцами дополнительного тела вращения внешних поверхностей смежных наружных колец Рашига, упорядочено установленных на опорных решетках внутри колонного аппарата, так как высота дополнительного тела вращения h составляет (0,8÷10,9) от высоты наружных колец Рашига и совпадает с высотой внутренних колец Рашига. Это увеличивает поверхность контакта фаз, участвующих в тепло- и массообменном процессе и приводит к увеличению интенсивности тепло- и массообмена.The installation of an additional rotation body outside the outer ring with a height equal to the height of the inner ring prevents the ends of the additional rotation body from touching the outer surfaces of adjacent outer Raschig rings arranged in order on the support grids inside the column apparatus, since the height of the additional rotation body h is (0.8 ÷ 10.9) of the height of the outer rings of Rashig and coincides with the height of the inner rings of Rashig. This increases the contact surface of the phases involved in the heat and mass transfer process and leads to an increase in the intensity of heat and mass transfer.

Установка дополнительного тела вращения на расстоянии от наружного кольца Рашига позволяет ей не соприкасаться с внешней боковой поверхностью этого кольца, что увеличивает поверхность контакта фаз, участвующих в тепло- и массообменном процессе и приводит к увеличению интенсивности тепло- и массообмена.The installation of an additional body of revolution at a distance from the outer Rashig ring allows it not to touch the outer side surface of this ring, which increases the contact surface of the phases involved in the heat and mass transfer process and leads to an increase in the intensity of heat and mass transfer.

Увеличение верхнего предела отношения (2) равного 0,14 также может привести к касаниям ее наружной боковой к наружным боковым поверхностям смежных внешних колец Рашига, что уменьшает поверхность контакта фаз, участвующих в тепло- и массообменном процессе и приводит к снижению интенсивности тепло- и массообмена.An increase in the upper limit of ratio (2) equal to 0.14 can also lead to touches of its outer side to outer side surfaces of adjacent outer Raschig rings, which reduces the contact surface of the phases involved in the heat and mass transfer process and leads to a decrease in the intensity of heat and mass transfer .

Уменьшение нижнего предела отношения (2), равного 0,12, чрезмерно уменьшает внешнюю и внутреннюю поверхность дополнительного тела вращения, что приведет к уменьшению поверхности контакта фаз, а значит и снизит интенсивность тепло- и массообмена.A decrease in the lower limit of relation (2), equal to 0.12, excessively reduces the external and internal surface of the additional body of revolution, which will lead to a decrease in the contact surface of the phases, and hence reduce the intensity of heat and mass transfer.

Соединение внутреннего кольца, наружного кольца и дополнительного тела вращения в точках, равноудаленных от их торцов, способствуют колебаниям кольца и дополнительного тела вращения под действием восходящего газового потока. Это приводит к тому, что гладкие пленки жидкости на боковых стенках внутреннего кольца и дополнительного тела вращения начинают колебаться вместе с этими стенками, в результате чего на жидкостной пленке образуются волны, скорость течения и поверхность которых значительно больше скорости течения и поверхности гладкой пленки жидкости. Это способствует увеличению интенсивности тепло- и массообмена на границе раздела фаз газового и жидкого потоков.The connection of the inner ring, the outer ring and the additional body of revolution at points equidistant from their ends contribute to the oscillations of the ring and the additional body of rotation under the action of the upward gas flow. This leads to the fact that smooth liquid films on the side walls of the inner ring and the additional body of revolution begin to oscillate together with these walls, as a result of which waves form on the liquid film, the flow velocity and surface of which are much higher than the flow velocity and the surface of a smooth liquid film. This contributes to an increase in the intensity of heat and mass transfer at the interface between the gas and liquid flows.

Кроме того, установка дополнительного тела вращения снаружи наружного кольца предотвращает проскок жидкой и газовой фаз в зазоре между внешними поверхностями наружных колец Рашига и вовлекает их в дополнительный тепло- и массообменный процесс, интенсифицируя его.In addition, the installation of an additional body of revolution outside the outer ring prevents leakage of the liquid and gas phases in the gap between the outer surfaces of the outer rings of Raschig and involves them in an additional heat and mass transfer process, intensifying it.

Таким образом, установка дополнительного тела вращения снаружи наружного кольца на расстоянии от него и с высотой, равной высоте внутреннего кольца при отношении внешнего диаметра этого дополнительного тела вращения к внешнему диаметру наружного кольца, подчиняющемуся условию (2), и соединение внутреннего кольца, наружного кольца и дополнительного тела вращения пружиной в точках, равноудаленных от их торцов, позволяет увеличить поверхность тепло- и массопередачи между газовой и жидкой фазами, что в значительной мере приводит к интенсификации этих процессов, чему способствуют также колебания внутреннего кольца и дополнительного тела вращения, передающиеся к потокам обеих фаз.Thus, installing an additional body of revolution outside the outer ring at a distance from it and with a height equal to the height of the inner ring with the ratio of the outer diameter of this additional body of rotation to the outer diameter of the outer ring subject to condition (2), and connecting the inner ring, outer ring and additional body of rotation by the spring at points equidistant from their ends, allows to increase the surface of heat and mass transfer between the gas and liquid phases, which significantly leads to intensification ikation of these processes, which is also facilitated by oscillations of the inner ring and an additional body of revolution, transmitted to the flows of both phases.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемой конструкции насадки в разрезе, на фиг. 2 - фрагмент вида сверху в сечении нескольких смежных насадок.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed design of the nozzle in section, in FIG. 2 is a fragment of a top view in section of several adjacent nozzles.

Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного тела вращения 1 в виде кольца Рашига с внутренним диаметром D и высотой Н при наружном диаметре D_н и внутреннего тела вращения, выполненного также в виде кольца Рашига 2 с внешним диаметром d и высотой h, подчиняющейся условию (1). С внешней стороны наружного кольца 1 на расстоянии от него установлено дополнительное тело вращения 3 с высотой h, равной высоте внутреннего кольца Рашига 2 и наружным диаметром d_н, подчиняющемуся условию 2. Внутреннее кольцо Рашига 2 и дополнительное тело вращения 3 на пружине 4, проходящей через боковую стенку наружного кольца 1. Пружина 4 соединяет внутреннее кольцо Рашига 2, наружное кольцо Рашига 1 и дополнительное тело вращения 3 в точках, равноудаленных от их торцов.The nozzle for heat and mass transfer processes consists of an external rotation body 1 in the form of a Raschig ring with an inner diameter D and a height H with an external diameter D _n and an internal rotation body, also made in the form of a Raschig ring 2 with an external diameter d and a height h obeying condition (1). An outer rotation body 3 with a height h equal to the height of the inner Raschig ring 2 and an outer diameter d _n , obeying condition 2, is installed on the outer side of the outer ring 1 at a distance from it. The inner ring of Raschig 2 and the additional rotation body 3 on the spring 4 pass through the side wall of the outer ring 1. A spring 4 connects the inner ring of Rashig 2, the outer ring of Rashig 1 and the additional body of revolution 3 at points equidistant from their ends.

Насадка установлена упорядоченно в ряды. В этом случае торцы внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3 свободно висят на пружине 4 и могут свободно колебаться внутри и снаружи наружного кольца Рашига 1.The nozzle is arranged in order in rows. In this case, the ends of the inner ring Rashig 2 and the additional body of revolution 3 hang freely on the spring 4 and can freely oscillate inside and outside the outer ring Rashig 1.

Насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом. Насадки устанавливают упорядоченно в ряды внутри колонны. Сверху насадку орошают жидкостью, а снизу подают газ.The nozzle for heat and mass transfer processes works as follows. The nozzles are arranged in order in rows within the column. The nozzle is sprayed with liquid from above, and gas is supplied from below.

Под действием потока газа каждое внутреннее кольцо Рашига 2 и дополнительное тело вращения 3 совершают колебания, которые передаются стекающей по их поверхности пленке жидкости, тем самым увеличивая скорость ее течения, тем самым увеличивая скорость ее течения по насадке и поверхность раздела фаз. Это приводит к интенсификации тепло- и массообменных процессов.Under the action of a gas flow, each inner Rashig ring 2 and an additional rotation body 3 oscillate, which are transmitted to a liquid film flowing down their surface, thereby increasing its flow velocity, thereby increasing its flow velocity along the nozzle and the interface. This leads to the intensification of heat and mass transfer processes.

Так как высоты h внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3 подчиняются условию (1), то есть меньше высоты Н наружного кольца Рашига 1, то смежные торцы наружных колец Рашига 1 не соприкасаются с торцами внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3. Аналогичные условия по наружному диаметру d внутреннего кольца 2 и наружному диаметру d_н, соответствующие соотношению (2), также не позволяют соприкасаться выше названным торцам внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3 с поверхностями наружного кольца Рашига 1. Это позволяет совершать колебания внутреннего кольца Рашига 2 и дополнительного тела вращения 3 на пружине 4 и с большой амплитудой, что еще больше увеличивает интенсифицирует тепло- и массообменные процессы. Механическую прочность предлагаемой насадки обеспечивают наружные кольца 1.Since the heights h of the inner ring of Raschig 2 and the additional body of revolution 3 obey condition (1), that is, less than the height H of the outer ring of Raschig 1, the adjacent ends of the outer rings of Raschig 1 do not touch the ends of the inner ring of Raschig 2 and the additional body of revolution 3. Similar conditions for the outer diameter d of the inner ring 2 and the outer diameter d _n corresponding to relation (2) also do not allow the aforementioned ends of the inner ring of Raschig 2 and the additional body of revolution 3 to come into contact with the surfaces of the outer о Rashig rings 1. This allows oscillations of the inner Rashig ring 2 and the additional body of revolution 3 on the spring 4 and with a large amplitude, which further intensifies the heat and mass transfer processes. The mechanical strength of the proposed nozzle is provided by the outer rings 1.

Таким образом, предлагаемая конструкция насадки для тепло- и массообменных процессов за счет установки дополнительного тела вращения 3 снаружи наружного кольца Рашига 1 на расстоянии от него с высотой равной высоте внутреннего кольца Рашига 2, при отношении внешнего диаметра этой трубки к внешнему диаметру наружного кольца, подчиняющемуся условию (2), а также закрепление внутреннего кольца 2 и дополнительного тела вращения 3 на пружине 4, проходящей через боковую поверхность наружного кольца 1, позволяет увеличить поверхность раздела фаз жидкости и газа, и тем самым интенсифицировать тепло- и массообмен, чему так же способствуют интенсивные колебания внутреннего кольца 2 и дополнительного тела вращения 3 на пружине 4 без образования застойных зон.Thus, the proposed nozzle design for heat and mass transfer processes by installing an additional body of revolution 3 outside the outer ring of Rashig 1 at a distance from it with a height equal to the height of the inner ring of Rashig 2, with the ratio of the outer diameter of this tube to the outer diameter of the outer ring obeying condition (2), as well as fixing the inner ring 2 and the additional body of revolution 3 on the spring 4 passing through the side surface of the outer ring 1, allows you to increase the interface dkosti and gas, and thereby to intensify heat and mass transfer, which also contribute to the intense vibrations of the inner ring 2 and an additional rotation of the body 3, a spring 4 without formation of stagnant zones.

Claims

Nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of stacked orderly in rows located one inside the other and connected by rotation bodies having the form of cylindrical surfaces, the inner rotation body is located at a distance from the outer rotation body, while the rotation bodies are made in the form of Raschig rings and connected by a spring, the ratio of the outer diameter of the inner ring to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the ratio of their heights lies in the range:

,

where h and H are, respectively, the heights of the inner and outer rings, characterized in that it is equipped with an additional rotation body mounted on the outer side of the outer ring at a distance from it and connected by a spring passing through the side wall of the outer ring with the inner ring, while the height of the inner rings is equal to the height of the additional body of revolution, and the spring connects the inner ring, the outer ring and the additional body of rotation at points equidistant from their ends, the ratio:

,

where d _n and D _n - respectively, the outer diameters of the additional body of revolution and the outer ring, mm