RU186315U1

RU186315U1 - MASS TRANSFER NOZZLE

Info

Publication number: RU186315U1
Application number: RU2018137355U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Голованчиков; Наталья Андреевна Прохоренко; Наталия Валентиновна Шибитова; Николай Степанович Шибитов; Валерия Игоревна Чурикова; Андрей Сергеевич Икрянников
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-01-15

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам для массообменных аппаратов: абсорбционных ректификационных и экстракционных колонн, работающих в пульсационном режиме, и может найти применение, в химической, нефтехимической, биохимической, энергетической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов.Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата является увеличение производительности.Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для массообменного аппарата, содержащей проволоку или полимерные мононити, и перфорированные диски, при этом под нижним диском установлен пульсатор колебаний газа, а на верхнем диске осесимметрично закреплен дополнительный груз с массой.The proposed solution relates to nozzles for mass transfer apparatuses: absorption distillation and extraction columns operating in a pulsed mode, and can be used in chemical, petrochemical, biochemical, energy and other industries, as well as in environmental processes of wastewater and flue gas treatment . The technical result of the proposed design of the nozzle for the mass transfer apparatus is an increase in productivity. The technical result achieved is This is due to the fact that in the nozzle for the mass transfer apparatus containing wire or polymer monofilament and perforated disks, a gas oscillation pulsator is installed under the lower disk, and an additional weight mass is axisymmetrically fixed.

Description

Техническое решение относится к насадкам для массообменных аппаратов: абсорбционных ректификационных и экстракционных колонн, работающих в пульсационном режиме, и может найти применение, в химической, нефтехимической, биохимической, энергетической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов.The technical solution relates to nozzles for mass transfer apparatuses: absorption distillation and extraction columns operating in a pulsed mode, and can be used in chemical, petrochemical, biochemical, energy and other industries, as well as in environmental processes of wastewater and flue gas treatment.

Известны массообменные аппараты с насадкой и пульсатором: поршневым, мембранным или сильфонным. Например, экстракционная колонна с насадкой КРИМЗ состоит из трех частей: верхней и нижней отстойной зонами и представляющей собой тарелки на 2-10 мм меньше диаметра колонны, на которых находятся прямоугольные отверстия с направляющими лопатками по обеим сторонам тарелки. Тарелки закреплены на проходящих внутри колонны стержнях. Колебания в жидкой фазе создаются пневматическим пульсатором. (Ю.Н. Шаповалов, В.С. Шеин. машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. - Воронеж: издательство ВТУ, 1981, с. 157-160; А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия 1971, с. 573-574).Known mass transfer apparatus with a nozzle and a pulsator: piston, membrane or bellows. For example, an extraction column with a KRIMZ nozzle consists of three parts: the upper and lower settling zones and representing plates 2-10 mm smaller than the diameter of the column, on which there are rectangular openings with guide vanes on both sides of the plate. Plates are fixed on the rods passing inside the column. Fluctuations in the liquid phase are created by a pneumatic pulsator. (Yu.N. Shapovalov, V.S. Shein. Machines and apparatuses for general chemical use. Textbook. - Voronezh: Publishing House of VTU, 1981, pp. 157-160; A.G. Kasatkin. Main processes and apparatuses of chemical technology.- M .: Chemistry 1971, p. 573-574).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая производительность при работе с высоковязкими структурированными неньютоновскими жидкостями из-за недостаточной скоростью массопереноса между дисперсными фазами: газожидкостной или жидкостно-жидкостной.The reasons that impede the achievement of a given technical result include low productivity when working with highly viscous structured non-Newtonian fluids due to the insufficient mass transfer rate between the dispersed phases: gas-liquid or liquid-liquid.

Известны насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, стержень и перфорированные диски, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет d/D=0,94÷0,98, причем стержень установлен осесимметрично с аппаратом и имеет возможность осевого перемещения, причем нижний торец стержня жестко соединен с верхним перфорированным диском, а верхний торец - с механизмом осевого перемещения (П.м. 117310 РФ, МПК B01D 45/00. Насадка для массообменного аппарата / А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина, Д.А. Федянина, Е.Г. Фетисова, А.О. Шульга, Т.А. Пенькова; ВолгГТУ. - 2012.).Known nozzle for mass transfer apparatus containing wire or polymer monofilament, a rod and perforated disks, the ratio of the diameter of the disk to the inner diameter of the apparatus is d / D = 0.94 ÷ 0.98, and the rod is mounted axisymmetrically with the apparatus and has the possibility of axial movement moreover, the lower end of the rod is rigidly connected to the upper perforated disk, and the upper end to the axial movement mechanism (PM 117310 RF, IPC B01D 45/00. Nozzle for mass transfer apparatus / AB Golovanchikov, NA Dulkina D.A. Fedyanin a, E.G. Fetisova, A.O. Shulga, T.A. Penkova; Volgograd State Technical University. - 2012.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неподвижность элементов насадки, из-за чего сложно производить ремонт оборудования, что будет способствовать увеличению времени простаивания оборудования и тем самым снижать производительность.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the immobility of the nozzle elements, which makes it difficult to repair equipment, which will increase the downtime of the equipment and thereby reduce productivity.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, фиксирующие элементы в виде параллельных стрежней, установленных в проволоке или полимерных мононитях и закрепленных на концах пластинами, причем пластины выполнены в виде перфорированных дисков, а стрежни - в виде болтов, равномерно установленных по окружности дисков, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет d/D=0,94÷98, где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата. (П.м. 109015 РФ, МПК B01J 19/32, B01D 45/00. Насадка для массообменного аппарата / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Н.А. Дулькина, Е.Г. Фетисова, Ю.О. Ужва, А.А. Решетников; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2011.).The closest technical solution for the totality of features to the claimed object and adopted as a prototype is a nozzle for a mass transfer apparatus containing wire or polymer monofilament, fixing elements in the form of parallel rods installed in wire or polymer monofilament and fixed at the ends by plates, and the plates are made in the form perforated disks, and rods - in the form of bolts evenly installed around the circumference of the disks, while the ratio of the diameter of the disk to the inner diameter of the apparatus is d / D = 0.94 ÷ 98, where d and D are the disk diameter and the internal diameter of the apparatus, respectively. (PM 109015 RF, IPC B01J 19/32, B01D 45/00. Nozzle for mass transfer apparatus / A.B. Golovanchikov, S.B. Vorotneva, N.A. Dulkina, E.G. Fetisova, Yu. O. Uzhva, A.A. Reshetnikov; GOU VPO VolgSTU. - 2011.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неподвижность элементов насадки при противоточном движении вокруг их поверхности жидкости и газа, что снижает скорость массопереноса и производительность.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the immobility of the nozzle elements during countercurrent movement around their liquid and gas surfaces, which reduces the mass transfer rate and productivity.

Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата является увеличение производительности.The technical result of the proposed design nozzles for mass transfer apparatus is to increase productivity.

Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для массообменного аппарата, содержащей проволоку и перфорированные диски, в которой отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет:The technical result is achieved by the fact that in the nozzle for the mass transfer apparatus containing wire and perforated disks, in which the ratio of the diameter of the disk to the inner diameter of the apparatus is:

где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, причем под нижним диском установлен пульсатор колебаний газа, а на верхнем диске осесимметрично закреплен дополнительный груз с массой, определяемой выражением.where d and D are the diameter of the disk and the internal diameter of the apparatus, respectively, with a gas oscillation pulsator installed under the lower disk, and an additional load with a mass determined by the expression fixed axisymmetrically.

где m - масса дополнительного груза, кг;where m is the mass of the additional load, kg;

α - упругость насадки из проволоки, Н/м;α is the elasticity of the wire nozzle, N / m;

f - частота пульсатора колебаний газа, Гц;f is the frequency of the pulsator of gas oscillations, Hz;

М - масса верхнего диска, кг.M is the mass of the upper disk, kg

Установка под нижним диском пульсатора колебаний газа позволяет вести массообменный процесс между газом и жидкость в колебательном динамическом режиме, что интенсифицирует процесс массопереноса и увеличивает производительность.Installation under the lower disk of the pulsator of gas oscillations allows the mass transfer process between gas and liquid in an oscillatory dynamic mode, which intensifies the mass transfer process and increases productivity.

Установка на верхнем диске дополнительного груза с массой т, определяемой по выражению (1), позволяет вести режим массопереноса между жидкостью и газом в резонансном режиме, то есть с большой амплитудой и частотой, равной частоте пульсации газа, получающей эти колебания от пульсатора. Такие колебания газа с высокой амплитудой вызывают такие же высокие колебания в жидкости, которая тиксотронно разжижается, ее структура разрушается, а эффективная вязкость неньютоновских жидкостей значительно снижается. Это приводит к интенсификации массообмена на границе поверхностей жидкости и газа и в целом увеличивает производительность.The installation on the upper disk of an additional load with mass m, determined by expression (1), allows the mass transfer between the liquid and gas in the resonance mode, that is, with a large amplitude and frequency equal to the frequency of the gas pulsation, receiving these oscillations from the pulsator. Such high-amplitude gas vibrations cause the same high vibrations in a liquid that thixotron liquefies, its structure is destroyed, and the effective viscosity of non-Newtonian fluids is significantly reduced. This leads to an intensification of mass transfer at the interface between the liquid and gas surfaces and generally increases productivity.

Известно, что собственная частота колебаний физического маятника определяется уравнением:It is known that the natural frequency of oscillations of a physical pendulum is determined by the equation:

(В.М. Яворский и А.А. Детлаф. Справочник по физике. Государственное издательство физико-математической литературы. - М.: 1963, с. 102).(V.M.

где M_o - масса груза, подвешенного на пружине с упругостью α, кг.where M _o is the mass of the load suspended on a spring with elasticity α, kg.

Для рассматриваемой насадки для массообменного аппарата, масса груза определяется как сумма массы дополнительного груза и верхнего диска, т.е.:For the nozzle in question for the mass transfer apparatus, the mass of the load is determined as the sum of the mass of the additional load and the upper disk, i.e.:

а роль пружины выполняет проволока или полимерные мононити, имеющие упругость α, которую несложно замерить следующим образом: насадку из проволоки укладывают на нижний диск и замеряют ее высоту в свободном состоянии. Затем сверху укладывают верхний диск массой М под действием которой слой насадки деформируется на величину Δh, а затем по уравнениюand the role of the spring is played by wire or polymer monofilaments having elasticity α, which is easy to measure as follows: a wire nozzle is placed on the lower disk and its height is measured in a free state. Then, an upper disk of mass M is laid on top under the action of which the nozzle layer is deformed by Δh, and then according to the equation

где g=9,81 - ускорение свободного падения, м/с² - определяют упругость насадки α.where g = 9.81 is the acceleration of gravity, m / s ² - determine the elasticity of the nozzle α.

Решая уравнение (2) с учетом выражения (3) относительно массы дополнительного груза m получаем искомое выражение (1).Solving equation (2) taking into account expression (3) with respect to the mass of the additional load m, we obtain the desired expression (1).

Осесимметричное закрепление на верхнем диске груза массой m необходимо для создания динамического равновесия при колебаниях без перекоса верхнего диска относительно нижнего, чтобы обеспечить одинаковую порозность и удельную поверхность насадки во всем объеме насадки. Это предотвращает неравномерное распределение газа и жидкости по объему насадки, обеспечивает наибольшую интенсивность массопереноса и способствует увеличению производительности.Axisymmetric fastening on the upper disk of a cargo of mass m is necessary to create dynamic equilibrium during vibrations without skewing the upper disk relative to the lower one to ensure the same porosity and specific surface of the nozzle in the entire volume of the nozzle. This prevents the uneven distribution of gas and liquid over the volume of the nozzle, provides the greatest intensity of mass transfer and helps to increase productivity.

На чертеже показан общий вид насадки для массообменного аппарата.The drawing shows a General view of the nozzle for mass transfer apparatus.

Она представляет собой проволоку 1 в виде спиралей различной толщины и профиля с высотой Н, уложенных на нижний перфорированный диск 2 и закрытых сверху таким же перфорированным диском 3. Насадка с дисками 2 и 3 помещены в корпус 4 массообменного аппарата. Сверху корпус 4 герметично закрыт крышкой 5 с патрубком 6 для подачи жидкости и патрубком 7 для отвода газа (пара). Нижний диск закреплен внутри корпуса 1 на опорах 8.It is a wire 1 in the form of spirals of various thickness and profile with a height H, laid on the lower perforated disk 2 and closed on top with the same perforated disk 3. The nozzle with disks 2 and 3 is placed in the body 4 of the mass transfer apparatus. On top of the housing 4 is hermetically closed by a cover 5 with a pipe 6 for supplying fluid and a pipe 7 for venting gas (steam). The lower disk is mounted inside the housing 1 on the supports 8.

Внутри корпуса 1 под нижним диском 3 установлен пульсатор колебаний газа, обеспечивающий частоту f вынужденных колебаний газа (поршневой или пневматический - на чертеже не показан). На верхнем диске 2 снаружи осесимметрично с корпусом 1 закреплен дополнительный груз 9 массой т, определяемой выраженном (1) и выполненный, например, в виде кольца.Inside the housing 1, under the lower disk 3, a gas oscillation pulsator is installed, which provides the frequency f of forced gas oscillations (piston or pneumatic - not shown in the drawing). On the upper disk 2, outside, axisymmetrically with the housing 1, an additional load 9 of mass t is fixed, defined by expressed (1) and made, for example, in the form of a ring.

Насадка массообменного аппарата работает следующим образом. Снизу вверх в корпус 1 подают газ, а сверху вниз по патрубку 6 жидкость. Включают пульсатор, создающий вынужденные колебания в газе частотой f. Так как верхний диск 2 имеет диаметр d меньше внутреннего диаметра корпуса 1 аппарата, поэтому он может свободно перемещаться вдоль оси корпуса 1.The nozzle mass transfer apparatus operates as follows. Bottom up in the housing 1 serves gas, and from top to bottom along the pipe 6 liquid. Turn on the pulsator, creating forced oscillations in the gas with frequency f. Since the upper disk 2 has a diameter d less than the internal diameter of the apparatus body 1, therefore, it can freely move along the axis of the housing 1.

Верхний диск 2, имеющий массу М вместе с дополнительным грузом 9, имеющий массу m вместе с насадкой 1, выполненной из проволоки и обладающий упругостью а, образуют физический маятник, обладающий собственной частотой колебаний, которая определяется уравнением (2).The upper disk 2, having a mass M together with an additional load 9, having a mass m together with a nozzle 1 made of wire and having elasticity a, form a physical pendulum with its own oscillation frequency, which is determined by equation (2).

Так как масса m дополнительного груза 9 подобрана таким образом, что частота собственных колебаний физического маятника совпадает с частотой пульсаций, то насадка 1 совершает резонирующие колебания с высокой амплитудой А. Эти высокие амплитудные осевые колебания интенсифицируют процесс массопереноса между поверхностью газа и жидкости внутри насадки 1, что способствуют увеличению производительности.Since the mass m of the additional load 9 is selected in such a way that the natural oscillation frequency of the physical pendulum coincides with the pulsation frequency, nozzle 1 performs resonant oscillations with a high amplitude A. These high amplitude axial vibrations intensify the mass transfer process between the gas and liquid surfaces inside the nozzle 1, which contribute to increased productivity.

Пример:Example:

Частоте пульсации газового пульсатора 5 Гц, то есть создает 5 колебаний в секунду в газовой фазе.The pulsation frequency of the gas pulsator is 5 Hz, that is, it creates 5 oscillations per second in the gas phase.

Масса верхнего перфорированного диска 2 диаметром d меньшим диаметра D корпуса 4 колонны М=40 кг. Диск 2, уложенный на насадку 1, создает в ней упругую деформацию, уменьшающую высоту насадки 1 на δ=8 мм или δ=8⋅10^-3 м, тогда упругость насадки определяется в виде:The mass of the upper perforated disk 2 with a diameter d smaller than the diameter D of the column body 4 is M = 40 kg. The disk 2, laid on the nozzle 1, creates an elastic deformation in it, reducing the height of the nozzle 1 by δ = 8 mm or δ = 8⋅10 ^-3 m, then the elasticity of the nozzle is determined as:

По выражению (1) определяем массу m дополнительного груза:By expression (1) we determine the mass m of the additional load:

Таким образом, осесимметричное закрепление на верхнем диске 2 дополнительного груза 9 массой m=9,7 кг обеспечивает равенство собственной частоты колебаний физического маятника образованного насадкой 1 с массой М верхнего диска 2 и массой m дополнительного груза 9 с частотой f вынужденных колебаний газа в корпусе 1 аппарата, создаваемой газовым пульсатором в газе, что обеспечивает резонансные высокоамплитудные колебания насадки 1, выполненной из проволоки, которые интенсифицируют массоперенос между поверхностью раздела фаз между жидкостью и газом в насадке 1, что приводит к росту производительности массообменного аппарата.Thus, the axisymmetric fastening on the upper disk 2 of the additional load 9 with a mass of m = 9.7 kg ensures the equality of the natural vibration frequency of the physical pendulum formed by the nozzle 1 with the mass M of the upper disk 2 and the mass m of the additional load 9 with a frequency f of forced gas oscillations in the housing 1 apparatus created by the gas pulsator in the gas, which provides resonant high-amplitude oscillations of the nozzle 1, made of wire, which intensify mass transfer between the interface between the liquid the gas in the nozzle 1, which leads to an increase in performance of the mass transfer apparatus.

Claims

A nozzle for a mass transfer apparatus comprising a wire and perforated disks, in which the ratio of the diameter of the disk to the internal diameter of the apparatus is:

where d and D are the disk diameter and the internal diameter of the apparatus, m, respectively, characterized in that a gas oscillation pulsator is installed under the lower disk, and an additional load with a mass determined by the expression is axially symmetrically fixed:

where m is the mass of the additional load, kg;

α is the elasticity of the wire nozzle, N / m;

- frequency of the pulsator of gas oscillations, Hz;

M-mass of the upper disk, kg