RU191653U1 - Регулируемая насадка для массообменного аппарата - Google Patents

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к насадке для массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах селективной очистки жидкостных и газовых неоднородных систем.Технический результат достигается при использовании регулируемой насадки для массообменного аппарата, содержащей насадочный материал, фиксирующие элементы в виде болтов, установленные равномерно по окружности перфорированных дисков в насадочном материале и закрепленные на концах дисков, при этом в качестве насадочного материала используется металлическая стружка металлообрабатывающих станков.Техническим результатом предлагаемой регулируемой насадки для массообменного аппарата является интенсификация процессов массопередачи и повышение производительности массообменных аппаратов.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к насадке для массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах селективной очистки жидкостных и газовых неоднородных систем.

Известна насадка для массообменных аппаратов из металлической стружки, обладающая высокой удельной поверхностью и свободным объемом (Сокол Б.А., Чернышев А.К., Баранов Д.А. Насадки массообменных колонн / под ред. Д.А. Баранова. - М.: ЗАО «Инфохим», 2009. - 358 с.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая эффективность тепломассообменных процессов и не высокая производительность, связанные с неравномерностью распределения насадочного материала в объеме насадки, отсутствием возможности регулирования основных параметров и управления гидродинамическими режимами работы.

Известна насадка в контактном аппарате для озонирования водных систем, выполненная из объемного нетканого волокнистого модуля с поровым пространством 0,7-0,99, представляющего собой беспорядочно уложенные в объеме и точечно-скрепленные в местах соприкосновений прочные нити с диаметром 0,2-2 мм из полимерного материала, инертного к воздействию водной системы и озона (Патент RU №33759, МПК C02F1/78, 2003).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая эффективность тепломассообменных процессов и не высокая производительность, связанные со свойствами материала насадочных устройств, неравномерностью структуры насадки и отсутствием возможности регенерации поверхностных свойств насадки.

Известна насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, фиксирующие элементы в виде параллельных стержней, установленных в проволоке или полимерных мононитях и закрепленных на концах пластинами, выполненными в виде болтов, равномерно установленных по окружности дисков с отношением диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляющем: d/D=0,94÷0,98, где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата (Патент RU №109015, МПК B01J 19/32, B01D 45/00, 2011).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая эффективность тепломассообменных процессов и не высокая производительность, связанные со свойствами материала насадочных устройств, неравномерностью структуры насадки и отсутствием возможности регенерации поверхностных свойств насадки.

Наиболее близким техническим решением является насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, фиксирующие элементы в виде болтов, установленных равномерно по окружности перфорированных дисков в проволоке или полимерных мононитях и закрепленных на концах дисков с отношением диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата d/D=0,94÷0,98. Каждый диск представляет собой сегмент сферы, верхний диск установлен в аппарате с образованием выпуклой поверхности, а нижний - с образованием вогнутой поверхности, причем отношение радиуса сферы к внутреннему диаметру аппарата составляет R/D=3÷5 (Патент RU №117317, МПК B01J 19/32, 2012).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая эффективность тепломассообменных процессов и не высокая производительность, связанные с недостаточно высокой интенсификацией тепломассообменных процессов на микро и макроуровне (свойствами материала насадочных устройств) и отсутствием возможности регенерации поверхностных свойств насадки.

Задача - разработка конструкции насадки массообменного аппарата, обладающей возможностью регулирования основных параметров насадок и управления гидродинамическими режимами.

Техническим результатом предлагаемой регулируемой насадки для массообменного аппарата является интенсификация процессов массопередачи и повышение производительности массообменных аппаратов.

Технический результат достигается при использовании регулируемой насадки для массообменного аппарата, содержащей насадочный материал, фиксирующие элементы в виде болтов, установленные равномерно по окружности перфорированных дисков в насадочном материале и закрепленные на концах дисков, при этом в качестве насадочного материала используется металлическая стружка металлообрабатывающих станков.

Сущностью технического решения является разработка насадки для массообменного аппарата с возможностью регулирования ее параметров (пористости и удельной поверхности) и управления гидродинамическими режимами, для широкого спектра массообменных процессов.

Использование в качестве насадочного материала металлической стружки (отходы металлообрабатывающих станков), которая в зависимости от режимов резания и свойств обрабатываемых материалов может обладать абсолютно различными конфигурациями, обеспечивает насадочному устройству необходимую структурированность, с возможностью изменения структуры, упругие свойства и сжимаемость. При этом металлическая стружка, преимущественно, имеет спиральную структуру с поверхностными микрооребрениями (зазубринами, засечками, радиальными разрывами кромок) и микрошероховатостями. Микрооребренная и микрошероховатая поверхность металлической стружки приводит к разрыву сплошной поверхности тонких пленок жидкости на поверхности насадочного материала и многократному обновлению поверхности тепломассопередачи, что интенсифицирует тепло- и массоперенос, резко развивая поверхность контакта фаз и повышая коэффициенты тепло- и массопередачи. Сплошной газовый поток при этом интенсивно дробится и завихряется, с образованием макро- и микровихрей, за счет микрооребрения и микрошероховатостей (на микроуровне) и спиральной структуры насадочного материала (на макроуровне), что приводит к активизации омывания насадочных элементов газовым (воздушным, паровым) потоком, способствует интенсификации тепло- и массопередачи и позволяет развивать интенсивные гидродинамические режимы. Микрошероховатости играют роль острых микроребер, рвущих сплошную дисперсную фазу на поверхности насадочного материала.

В качестве насадочного материала может использоватся стружка, полученная при токарной обработке широко применимых в промышленности нержавеющих марок сталей, например, 12Х18Н10Т, 08X18H10 (Aisi 304), 10Х17Н13М2 (Aisi 316), 08Х17Н14М2Т (Aisi 316Ti) и др. Интерес представляют преимущественно нержавеющие марки сталей, устойчивые как к агрессивным средам, так и к атмосферному воздействию, что очень важно, согласно специфике технологических процессов, на которые данные насадочные устройства ориентированы. С экологической и экономической точек зрения, использование регулируемых насадочных материалов в виде металлической стружки относится к энерго- и ресурсосберегающему техническому решению.

Для промышленной ориентации образцов металлической стружки, в качестве насадочного материала регулируемых контактных устройств, применялась известная методика экспресс исследования, позволяющая быстро проанализировать и дать ориентир промышленного применения данного образца металлической стружки в качестве насадочного материала под определенный спектр процессов (The Filtration Equation for Packing Material / A. B. Golovanchikov, V. A. Balashov, N. A. Merentsov // Chemical and Petroleum Engineering. - 2017. - Vol. 53, No. 1-2. - C. P. 10-13, Критериальное уравнение для расчета гидравлического сопротивления сухой насадки / Меренцов Н.А., Балашов В.А., Орлянкина Я.А. // Известия ВолгГТУ. Серия "Реология, процессы и аппараты химической технологии". Вып. 6: межвуз. сб. науч. ст. ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - №1 (104). - С. 112-114).

Таким образом, предлагаемая конструкция регулируемой насадки для массообменного аппарата позволяет увеличить производительность за счет использования в качестве насадочного материала металлической стружки с возможностью равномерного изменения удельной поверхности, свободного объема и гидравлического сопротивления насадки по сечению и объему аппарата, предотвратить пристенный эффект, связанный с увеличением расхода жидкости у стенок аппарата, а газа в его центральной области и самое главное, управления гидравлическим режимами работы и дает возможность регенерации поверхностных свойств насадки путем различных методов (отжиг, химическая очистка и т.д.). При этом поверхностные и структурные свойства предлагаемого насадочного материала (подлежащего регулированию) приводят к существенной интенсификации тепло- и массообменных процессов за счет микрооребрения и микрошероховатостей поверхности и развитию макро- и микровихрей газового (воздушного, парового) потока, омывающего поверхности тепломассопередачи, что приводит к повышению производительности массообменных аппаратов.

На фиг. 1 показана предлагаемая регулируемая насадка для массообменного аппарата в разрезе.

На фиг. 2 показан вариант насадочного материала с плотной укладкой на примере нержавеющей стали марки 08Х18Н10 (Aisi 304) (а=210 м²/ м³, ε=0,68 м³/ м³, ρ_н=195 кг/ м³, d_э=0,013 м (параметры регулируются)). Такой насадочный материал используется для процесса абсорбции, так как насадка с насадочным материалом с плотной укладкой, не смотря на сравнительно высокое гидравлическое сопротивление, способна обеспечить развитые гидравлические режимы работы, вплоть до эмульгирования.

На фиг. 3 показан вариант насадочного материала на примере нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т (Aisi 321) (а=108 м²/ м³, ε=0,89 м³/ м³, ρ_н=98 кг/ м³, d_э=0,033 м (параметры регулируются)). Насадка с таким насадочным материалом обладает очень низким гидравлическим сопротивлением и реализует капельно-пленочный режим течения по жидкости, соответственно, может быть ориентирована на процесс испарительного охлаждения оборотной воды в малогабаритных градирнях.

Регулируемая насадка для массообменного аппарата состоит из насадочного материала 1, фиксирующих элементов в виде болтов 2, равномерно установленных в насадочном материале по окружности перфорированных дисков 3,4 и закрепленных на концах дисков 3,4. В качестве насадочного материала 1 используется металлическая стружка металлообрабатывающих станков.

Верхний 3 и нижний 4 перфорированные диски, выполнены в виде сегментов сферы. Верхний диск 3 установлен в аппарате 5 с образованием выпуклой поверхности, а нижний 4 - с образованием вогнутой поверхности. Нижний диск 4 опирается на опоры 6, закрепленные внутри аппарата 5. Положение верхнего диска 3 относительно нижнего диска 4 регулируется с помощью болтов 2. и гаек 7.

Регулируемая насадка для массообменного аппарата работает следующим образом.

Гайками 7, при их закручивании на болтах 2, обеспечивают необходимую высоту Н слоя насадки, создавая в ней заданный свободный объем и удельную поверхность в центральной части аппарата 5. Так как высота насадки между сегментами сфер, образованных верхним 3 и нижним 4 дисками, равномерно уменьшается от центра к стенкам аппарата 5, то свободный объем насадки также равномерно уменьшается, а удельная поверхность насадки от центра к стенкам аппарата 5 увеличивается. Это предупреждает возможность перетекания жидкости, подаваемой сверху вниз от центра к стенкам аппарата 5, а газа, подаваемого снизу вверх наоборот от стенок к центру, то есть нивелирует пристенный эффект в массообменных насадочных аппаратах и позволяет организовывать наиболее развитые гидродинамические режимы работы.

Металлическая стружка 1, используемая в качестве насадочного материала, может иметь абсолютно различные конфигурации и радиусы кривизны. Но в любом случае, она обладает упругими свойствами и имеет структуру, развивающую макро и микровихри, приводящие к существенной интенсификации процессов тепломассопереноса. И за счет возможности регулирования, может реализовывать развитые гидродинамические режимы работы, особенно режим эмульгирования (инверсии), который обладает наивысшими показателями интенсивности тепломассообменных процессов и тяжело уловим и реализуем в технологическом оборудовании.

Кроме этого, микрооребренная поверхность насадочного материала с зазубринами, засечками, радиальными разрывами кромок способствует разрыву устойчивых жидкостных пленок и многократному обновлению поверхностей тепломассопередачи, при этом витиеватая и спиралевидная структура насадочного материала способствует образованию макро- и микровихрей, омывающих тепломассообменные поверхности контакта фаз, что приводит к повышению производительности массообменных аппаратов и увеличивает степень очистки извлекаемых компонентов при осуществлении сорбционных процессов (абсорбция).

Таким образом, при использовании регулируемой насадки для массообменного аппарата, содержащей металлическую стружку металлообрабатывающих станков в качестве насадочного материала, фиксирующие элементы в виде болтов, установленные равномерно по окружности перфорированных дисков в насадочном материале и закрепленные на концах дисков обеспечивается интенсификация процессов массопередачи и повышение производительности массообменных аппаратов.

Claims (1)

1. Регулируемая насадка для массообменного аппарата, содержащая насадочный материал, фиксирующие элементы в виде болтов, установленные равномерно по окружности перфорированных дисков в насадочном материале и закрепленные на концах дисков, отличающаяся тем, что в качестве насадочного материала используется металлическая стружка металлообрабатывающих станков.

Images