RU195485U1

RU195485U1 - Nozzle for mass transfer processes

Info

Publication number: RU195485U1
Application number: RU2019122563U
Authority: RU
Inventors: Ольга Александровна Залипаева; Александр Борисович Голованчиков; Павел Павлович Залипаев; Наталья Андреевна Прохоренко; Бае Рожер Пьер Месмер Коссону; Алексей Олегович Бодров
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2020-01-29

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки отходящих газов от вредных примесей.Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменных процессов является увеличение производительности массообменных процессов.Технический результат достигается тем, что насадка для массообменных процессов выполнена в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого и жёстко соединённых между собой, одно тело вращения выполнено в виде витой проволочной пружины, а другое тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, витая проволочная пружина установлена внутри полого цилиндра, причем полый цилиндр вплотную облегает витую проволочную пружину, принимая форму гофры, и выполнен из пенополимерного материала.The proposed solution relates to contact elements of mass transfer apparatus and can be used in chemical, petrochemical, gas processing, food and other industries, as well as in environmental processes for cleaning exhaust gases from harmful impurities. The technical result of the proposed nozzle design for mass transfer processes is to increase the productivity of mass transfer processes. The technical result is achieved by the fact that the nozzle for mass transfer processes is made in the form two cylindrical bodies of revolution coaxially mounted one inside the other and rigidly interconnected, one body of rotation is made in the form of a twisted wire spring, and the other body of revolution is made in the form of a hollow cylinder, a twisted wire spring is installed inside the hollow cylinder, and the hollow cylinder closely fits twisted wire spring, taking the form of a corrugation, and is made of foam material.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к контактным элементам массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки отходящих газов от вредных примесей.The proposed technical solution relates to contact elements of mass transfer apparatus and can find application in chemical, petrochemical, gas processing, food and other industries, as well as in environmental processes for cleaning exhaust gases from harmful impurities.

Известны спиральные металлические насадки, изготовленные из проволоки, свернутой в виде цилиндрической спирали (Насадки массообменных колонн. Под общей редакцией Д.А. Баранова. - М.: Инфохим, 2009. - с. 165-167).Known spiral metal nozzles made of wire rolled in the form of a cylindrical spiral (Nozzles of mass transfer columns. Under the general editorship of D. A. Baranov. - M .: Infokhim, 2009. - S. 165-167).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая площадь поверхности проволоки, свернутой в виде цилиндрической спирали, что приводит к малой скорости массопереноса между жидкой и газовой (паровой) фазами и снижению производительности массообменных процессов.The reasons that impede the achievement of a given technical result include a small surface area of the wire rolled in the form of a cylindrical spiral, which leads to a low mass transfer rate between the liquid and gas (vapor) phases and a decrease in the productivity of mass transfer processes.

Известна насадка для тепло-массообменных процессов, выполненная в виде двух тел вращения цилиндрической формы соосно установленных одно внутри другого на расстоянии друг от друга и жестко соединенных между собой в верхней части, причем наружное тело вращения выполнено в виде спирали, образованной витой проволочной пружиной, а внутреннее тело вращения выполнено в виде полого цилиндра (Полезная модель РФ №148732, B01D 33/00, 2014 г.).Known nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of two cylindrical bodies of revolution coaxially mounted one inside the other at a distance from each other and rigidly connected to each other in the upper part, and the outer body of rotation is made in the form of a spiral formed by a twisted wire spring, and the inner body of rotation is made in the form of a hollow cylinder (Utility Model of the Russian Federation No. 148732, B01D 33/00, 2014).

Недостатком данной конструкции насадки является то, что при упорядоченной ее укладке в массообменном аппарате в ряды без зазора витые проволочные пружины соседних элементов насадки будут мешать колебаться друг другу в процессе работы массообменного аппарата. Упорядоченная укладка элементов насадки с зазором приведет к уменьшению их количества в единице объема массообменного аппарата, что, скажется на уменьшении площади поверхности насадки, необходимой для осуществления протекающих в нем тепло-массообменных процессов и приведет к снижению производительности протекающих тепло-массообменных процессов.The disadvantage of this design of the nozzle is that when ordered in the mass transfer apparatus in rows without a gap, the coiled wire springs of adjacent nozzle elements will interfere with each other oscillating during the operation of the mass transfer apparatus. An orderly packing of the nozzle elements with a gap will lead to a decrease in their number per unit volume of the mass transfer apparatus, which will affect the decrease in the surface area of the nozzle necessary for the heat and mass transfer processes occurring in it and will lead to a decrease in the productivity of the heat and mass transfer processes.

Известна массообменная колонна с плавающей насадкой для взаимодействия между газом и жидкостью, включающая вертикальный цилиндрический корпус, поярусно расположенные в нем поддерживающие распределительные решетки с прорезями, и насадку из пенополимерного материала, причем элементы насадки выполнены в виде гофр (Полезная модель РФ №173764 МПК B01D 3/24, B01D 47/14, B01J 19/32, .2017 г.).A mass transfer column with a floating nozzle for interaction between gas and liquid is known, including a vertical cylindrical body, support distributing gratings with slots tiled in it, and a nozzle made of foam material, and the nozzle elements are made in the form of corrugations (Utility model of the Russian Federation No. 173764 IPC B01D 3 / 24, B01D 47/14, B01J 19/32, .2017).

Недостатком данной конструкции насадки является то, что при проведении массообменного процесса необходимо поддерживать высокие расходы жидкой фазы по сравнению с расходом газа, что обеспечивает псевдоожижение насадки малой плотности, в противном случае насадка всплывает к верхней решетке, что снижает производительность колонны.The disadvantage of this design of the nozzle is that during the mass transfer process it is necessary to maintain high flow rates of the liquid phase compared to the gas flow rate, which provides fluidization of the nozzle of low density, otherwise the nozzle floats to the upper grate, which reduces the performance of the column.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является насадка для тепло-массообменных процессов, выполненная в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого на расстоянии друг от друга и жестко соединенных между собой в верхней части, причем одно тело вращения выполнено в виде витой проволочной пружины, а другое тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, при этом витая проволочная пружина установлена внутри полого цилиндра, ее нижний виток расположен под нижним торцом полого цилиндра и выполнен горизонтальным с наружным диаметром, равным наружному диаметру полого цилиндра, а жёсткость проволочной пружины определяется из выраженияThe 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 two cylindrical bodies of revolution, coaxially mounted one inside the other at a distance from each other and rigidly connected to each other in the upper part, moreover, one body of rotation is made in the form of a twisted wire spring, and the other body of rotation is made in the form of a hollow cylinder, while the twisted wire spring is installed inside the hollow cylinder, its the lower turn is located under the lower end of the hollow cylinder and is made horizontal with an outer diameter equal to the outer diameter of the hollow cylinder, and the stiffness of the wire spring is determined from the expression

где α - жёсткость витой проволочной пружины, Н/м;where α is the stiffness of the twisted wire spring, N / m;

m - масса полого цилиндра, кг;m is the mass of the hollow cylinder, kg;

с - скорость звука в газе (паре), м/с;C is the speed of sound in gas (vapor), m / s;

h - высота полого цилиндра, м.h is the height of the hollow cylinder, m

(Полезная модель РФ №167780, B01J 19/32, 2017 г.).(Utility model of the Russian Federation No. 167780, B01J 19/32, 2017).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то, что в процессе эксплуатации при изменении физических параметров рабочих сред в зазорах между витой проволочной пружиной и полым цилиндром образуются отложения, которые приводят к прекращению резонансного режима работы насадки, ее зарастанию и, как следствие, снижению устойчивости и эффективности процесса массопереноса.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the fact that during operation, when the physical parameters of the working media are changed, deposits are formed in the gaps between the twisted wire spring and the hollow cylinder, which lead to the termination of the resonant mode of operation of the nozzle, its overgrowing and, as a result, reduce the stability and efficiency of the mass transfer process.

Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменных процессов является увеличение производительности массообменных процессов.The technical result of the proposed nozzle design for mass transfer processes is to increase the productivity of mass transfer processes.

Технический результат достигается тем, что насадка для массообменных процессов, выполнена в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого и жёстко соединённых между собой, одно тело вращения выполнено в виде витой проволочной пружины, а другое тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, витая проволочная пружина установлена внутри полого цилиндра, причем полый цилиндр вплотную облегает витую проволочную пружину, принимая форму гофры, и выполнен из пенополимерного материала.The technical result is achieved in that the nozzle for mass transfer processes is made in the form of two cylindrical bodies of revolution coaxially mounted one inside the other and rigidly interconnected, one body of revolution is made in the form of a twisted wire spring, and the other body of revolution is made in the form of a hollow cylinder , a twisted wire spring is installed inside the hollow cylinder, and the hollow cylinder closely fits the twisted wire spring, taking the form of a corrugation, and is made of foam material.

Выполнение полого цилиндра из пенополимерного материала, вплотную облегающую витую проволочную пружину и принимающего форму гофры, позволяет проводить массообменный процесс в условиях псевдоожиженного слоя при высокотурбулизированном трехфазном потоке газ (пар), жидкость, твердая фаза (плавающие элементы насадки) по всему объему между распределительными решетками. Это достигается тем, что геометрические параметры витой проволочной пружины и полого цилиндра выбираются с учетом плотности рабочей жидкости. Соответствие плотностей насадки и рабочей жидкости приводит к равномерному распределению насадки между распределительными решетками в широких диапазонах расходах газовой (паровой) и жидкой фазы.The implementation of a hollow cylinder made of foam material, closely fitting a twisted wire spring and taking the form of a corrugation, allows the mass transfer process to be carried out in a fluidized bed with a highly turbulent three-phase flow of gas (steam), liquid, solid phase (floating nozzle elements) throughout the volume between the distribution grids. This is achieved by the fact that the geometric parameters of the twisted wire spring and hollow cylinder are selected taking into account the density of the working fluid. Correspondence of the densities of the nozzle and the working fluid leads to a uniform distribution of the nozzle between the distribution grids in a wide range of flow rates of the gas (vapor) and liquid phases.

Кроме того, в процессе эксплуатации насадка начинает работать в динамическом режиме колебаний, что приводит к увеличению скорости массообменных процессов и самоочищению гофрированных элементов насадки за счет вибрации поверхности гофр, что в целом повышает производительность колонны.In addition, during operation, the nozzle begins to work in a dynamic mode of oscillation, which leads to an increase in the rate of mass transfer processes and self-cleaning of the corrugated nozzle elements due to vibration of the surface of the corrugations, which generally increases the performance of the column.

Насадка проста в изготовлении. Гофрированные элементы насадки имеет значительный свободный объем и поверхность. Подвижные вибрирующие эластичные стенки элементов насадки имеют высокую смачиваемую поверхность, сбивают границы раздела фаз и приводят к интенсификации массопереноса в процессе работы колонны, что повышает ее производительностьThe nozzle is easy to manufacture. Corrugated nozzle elements have significant free volume and surface. Moving vibrating elastic walls of the nozzle elements have a high wetted surface, knock down the phase boundary and lead to intensification of mass transfer during the operation of the column, which increases its productivity

Выполнение полого цилиндра насадки из пенополимерного материала увеличивает ее положительную плавучесть, предотвращает прижимание насадки к нижележащим распределительным решеткам при больших расходах жидкости по сравнению с расходом газа (пара), обеспечивая создание взвешенного слоя насадки при высоких скоростях жидкости, движущейся вниз по колонне, что интенсифицирует массообменные процессы и увеличивает производительность.The execution of the hollow cylinder of the nozzle made of foam material increases its positive buoyancy, prevents the nozzle from pressing against the underlying distribution grids at high liquid flow rates compared to the gas (vapor) flow rate, providing a balanced layer of the nozzle at high liquid velocities moving down the column, which intensifies mass transfer processes and increases productivity.

Витая проволочная пружина внутри полого цилиндра предотвращает прижимание насадки к вышележащим распределительным решеткам при небольших расходах жидкости и повышает прочностные характеристики насадки, работающей в динамическом режиме колебания, что способствует повышению производительности.The twisted wire spring inside the hollow cylinder prevents the nozzle from pressing against the overlying distribution gratings at low liquid flow rates and increases the strength characteristics of the nozzle operating in the dynamic mode of oscillation, which helps to increase productivity.

Высокая скорость движения элементов насадки позволяет эффективно разбивать возникающие в псевдоожиженном слое газовые (паровые) пузыри, включая застойные зоны, что способствует равномерности псевдоожиженного слоя, повышает эффективность работы массообменной колонны и производительность.The high speed of the movement of the nozzle elements allows you to effectively break the gas (vapor) bubbles that arise in the fluidized bed, including stagnant zones, which contributes to the uniformity of the fluidized bed, increases the efficiency of the mass transfer column and productivity.

На чертеже изображен общий вид в разрезе предлагаемой насадки для массообменных процессов.

Насадка для массообменных процессов состоит из витой проволочной пружины 1 и полого цилиндра в виде гофры 2. Полый цилиндр 2 вплотную облегает витую проволочную пружину 1.The nozzle for mass transfer processes consists of a twisted wire spring 1 and a hollow cylinder in the form of a corrugation 2. The hollow cylinder 2 closely fits the twisted wire spring 1.

Насадка для массообменных процессов работает следующим образом. Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ (пар). Вследствие соответствия плотности насадки плотности рабочей жидкости, насадка всплывает, равномерно распределяясь по всему объему между распределительными решетками. Под действием потока газа насадка совершает колебания, которые передаются всплывающим пузырькам газа (пара). Вибрирующие гофрированные стенки полого цилиндра 2 сбивают границы раздела фаз как в центральной части массообменного аппарата, так и у периферии распределительных решеток, что приводят к интенсификации массопереноса и повышает производительность массообменной колонны.The nozzle for mass transfer processes works as follows. At the top, the nozzle is irrigated with liquid, and gas (steam) is supplied from below. Due to the matching density of the nozzle to the density of the working fluid, the nozzle pops up, evenly distributed throughout the volume between the distribution grids. Under the action of a gas stream, the nozzle oscillates, which are transmitted to the pop-up gas bubbles (vapor). The vibrating corrugated walls of the hollow cylinder 2 knock down the phase boundary both in the central part of the mass transfer apparatus and at the periphery of the distribution gratings, which lead to intensification of mass transfer and increases the productivity of the mass transfer column.

Пример. Плотность жидкости ρ_W=980 кг/м³.Example. The density of the fluid ρ _W = 980 kg / m ³ .

Плотность пенополимера ρ_п=100 кг/м³.The density of the foam ρ _p = 100 kg / m ³ .

Плотность материала стальной проволоки, из которой выполнена пружина ρ_м=7800 кг/м³.The density of the material of the steel wire from which the spring is made ρ _m = 7800 kg / m ³ .

Высота и диаметр элемента насадки d=h=50 мм.The height and diameter of the nozzle element d = h = 50 mm.

Толщина проволоки δ_м=2 мм, закрученной с шагом Δh=10 мм.The thickness of the wire δ _m = 2 mm, twisted in increments of Δh = 10 mm.

Толщина наружного гофрированного цилиндра, выполненного из пенополимера Δ_п=5 мм.The thickness of the outer corrugated cylinder made of a foam polymer Δ _p = 5 mm

Число витков n=5.The number of turns n = 5.

Тогда длина проволоки l=1,2⋅π⋅d⋅n=94,2 мм.Then the wire length l = 1,2⋅π⋅d⋅n = 94.2 mm.

Масса проволоки m_м=ρ_м⋅(π⋅l⋅δ_м ²)/4=2,3 г.The mass of the wire m _m = ρ _m ⋅ (π⋅l⋅δ _m ² ) / 4 = 2.3 g

Масса пенополимерного цилиндра m_п=1,2⋅ρ_п⋅(π⋅d⋅h⋅Δ_п)/4=1,2 г.The mass of the foam polymer cylinder m _p = 1.2⋅ρ _p ⋅ (π⋅d⋅h⋅Δ _p ) / 4 = 1.2 g.

Коэффициент 1,2 учитывает 20% гофры.The coefficient of 1.2 takes into account 20% of the corrugation.

Общая масса элемента насадки m=m_м+m_п=3,5 г.The total mass of the nozzle element m = m _m + m _p = 3.5 g.

Общий объем V=V_м+V_п=(π⋅l⋅δ_м ²)/4+(π⋅d⋅h⋅Δ_п)/4=9,8⋅10^-6 м³.The total volume V = V _m + V _p = (π⋅l⋅δ _m ² ) / 4 + (π⋅d⋅h⋅Δ _p ) / 4 = 9.8⋅10 ^-6 m ³ .

Средняя плотность насадки ρ=m/V=357 кг/м³.The average density of the nozzle ρ = m / V = 357 kg / m ³ .

Из расчетов следует, что плотность насадки меньше плотности рабочей жидкости, то есть она имеет положительную плавучесть, что обеспечивает ее равномерное распределение по всему объему рабочей зоны массообменного аппарата между распределительными решетками под действием потока жидкости. При этом толщина проволоки и тип пенополимерного материала полого цилиндра выбираются исходя из технологических характеристик массообменного процесса.From the calculations it follows that the density of the nozzle is less than the density of the working fluid, that is, it has positive buoyancy, which ensures its uniform distribution over the entire volume of the working area of the mass transfer apparatus between the distribution grids under the action of the fluid flow. In this case, the thickness of the wire and the type of foam polymer material of the hollow cylinder are selected based on the technological characteristics of the mass transfer process.

Таким образом, выполнение насадки для массообменных процессов в виде двух тел вращения: полого цилиндра из пенополимерного материала, вплотную облегающего витую проволочную пружину и принимающего форму гофры, позволяет проводить массообмен в условиях псевдоожиженного слоя при высокотурбулизированном трехфазном потоке в широком диапазоне физических параметров рабочих сред, исключает возможность зарастания элементов насадки, обеспечивает устойчивую работу массообменного аппарата, что повышает производительность колонны.Thus, the implementation of the nozzle for mass transfer processes in the form of two bodies of revolution: a hollow cylinder made of foam material, closely surrounding a twisted wire spring and taking the form of a corrugation, allows mass transfer under the conditions of a fluidized bed with a highly turbulent three-phase flow in a wide range of physical parameters of the working medium, eliminates the possibility of overgrowing of the nozzle elements ensures stable operation of the mass transfer apparatus, which increases the performance of the column.

Claims

The nozzle for mass transfer processes, made in the form of two cylindrical bodies of revolution coaxially mounted one inside the other and rigidly interconnected, one body of revolution is made in the form of a twisted wire spring, and the other body of revolution is made in the form of a hollow cylinder, while the twisted wire spring installed inside the hollow cylinder, characterized in that the hollow cylinder closely fits the twisted wire spring, taking the form of a corrugation, and is made of foam polymer material.