RU201929U1

RU201929U1 - Packing for heat and mass transfer processes

Info

Publication number: RU201929U1
Application number: RU2020114430U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Голованчиков; Наталья Андреевна Прохоренко; Ольга Александровна Залипаева; Наталия Валентиновна Шибитова; Дарья Олеговна Смольская
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Полезная модель относится к насадкам, применяемым в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов ректификации и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах разделения нефтешламов, отработанных растворов углеводородов, растворителей и других веществ для их разделения и очистки на молекулярном уровне. Насадка для тепло- и массообменных процессов выполнена в виде расположенных одно внутри другого тел вращения, выполненных из одного и того же материала с эффектом памяти и имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига, и уложенных упорядоченно в ряды. При этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, причем внутреннее тело вращения выполнено в виде двух частей, соединенных между собой винтовыми пружинами. Техническим результатом является увеличение производительности. 2 ил.The useful model refers to packing used in column apparatus, primarily for carrying out heat and mass transfer processes of rectification and can be used in chemical, petrochemical, energy, metallurgical, food, pharmacological and other industries, as well as in environmental processes for separating oil sludge. waste solutions of hydrocarbons, solvents and other substances for their separation and purification at the molecular level. The nozzle for heat and mass transfer processes is made in the form of bodies of revolution located one inside the other, made of the same material with a memory effect and having the shape of cylindrical surfaces, the inner body of revolution is located at a distance from the outer body of revolution, made in the form of Raschig rings, and arranged in orderly rows. In this case, the ratio of the outer diameter of the inner body of revolution to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the inner body of revolution is made in the form of two parts connected by helical springs. The technical result is an increase in productivity. 2 ill.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам, применяемым в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов ректификации и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах разделения нефтешламов, отработанных растворов углеводородов, растворителей и других веществ для их разделения и очистки на молекулярном уровне.The proposed technical solution refers to packing used in column apparatus, primarily for carrying out heat and mass transfer processes of rectification and can be used in chemical, petrochemical, energy, metallurgical, food, pharmacological and other industries, as well as in environmental processes for separating oil sludge. , waste solutions of hydrocarbons, solvents and other substances for their separation and purification at the molecular level.

Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, и внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом тела вращения выполнены в виде колец Рашига и соединены на торцовых частях посредством не менее двух пружин, а отношение наружного диаметра внутреннего кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:Known nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of located one inside the other and connected bodies of rotation, having the shape of cylindrical surfaces, and the inner body of rotation is located at a distance from the outer body of rotation, while the bodies of rotation are made in the form of Raschig rings and are connected to end parts by means of at least two springs, and the ratio of the outer diameter of the inner ring is 0.7, and the ratio of their heights lies within:

где h и H – соответственно высоты внутреннего и наружного колец (Описание полезной модели к патенту РФ №148733, В01J 19/00, 2014 г.).where h and H are the heights of the inner and outer rings, respectively (Description of the utility model to the RF patent No. 148733, B01J 19/00, 2014).

К недостаткам этой конструкции относится постоянство поверхности обоих тел вращения, выполненных в виде колец Рашига, что не позволяет регулировать поверхности тепло- и массопередачи между паром и жидкостью и не позволяет получать постоянно высокую концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из колонны, а значит снижает производительность по этому компоненту и всей конструкции в целом.The disadvantages of this design include the constancy of the surface of both bodies of revolution, made in the form of Raschig rings, which does not allow regulating the surface of heat and mass transfer between vapor and liquid and does not allow obtaining a constantly high concentration of a highly volatile component in vapor at the outlet of the column, which means that it reduces productivity for this component and the entire structure as a whole.

Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, и внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:Known nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of bodies of revolution located one inside the other and connected by two springs, having the shape of cylindrical surfaces, and the inner body of revolution is located at a distance from the outer body of revolution, made in the form of Raschig rings and stacked orderly in rows, while the ratio of the outer diameter of the inner body of revolution to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the ratio of their heights lies within:

где h и H – соответственно высоты внутреннего и наружного кольца, причем внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным с положительной плавучестью в рабочей жидкости и соединено с наружным кольцом на нижнем кольце (Описание полезной модели к патенту РФ №162267, В01J 19/30, 2016 г.).where h and H are the heights of the inner and outer rings, respectively, and the inner body of revolution is made uniformly perforated with positive buoyancy in the working fluid and is connected to the outer ring on the lower ring (Description of the utility model to RF patent No. 162267, B01J 19/30, 2016 .).

Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов является постоянная величина поверхностей кольца Рашига и внутреннего тела вращения, что в процессе ректификации не позволяет изменять величину этих поверхностей при изменении температуры пара жидкости. Это ухудшает скорость тепло- и массообменных процессов и снижает концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из колонны, а значит уменьшает производительность по этому компоненту.The disadvantage of this packing for heat and mass transfer processes is the constant size of the surfaces of the Raschig ring and the internal body of revolution, which in the process of rectification does not allow changing the size of these surfaces when the temperature of the liquid vapor changes. This degrades the rate of heat and mass transfer processes and reduces the concentration of a highly volatile component in the steam at the outlet of the column, which means it reduces the productivity of this component.

Известна насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным, отличающаяся тем, что внутреннее тело вращения выполнено из материала, обладающего эффектом памяти, и соединено с наружным кольцом на верхнем торце, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца лежит в пределах:Known nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of bodies of rotation located one inside the other and connected by two springs of rotation bodies having the shape of cylindrical surfaces, the internal body of rotation is located at a distance from the external body of rotation, made in the form of Raschig rings and stacked orderly in rows , while the ratio of the outer diameter of the inner body of revolution to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the inner body of revolution is uniformly perforated, characterized in that the inner body of revolution is made of a material having a memory effect and is connected to the outer ring at the upper end , and the ratio of the height of the inner body of revolution to the height of the outer ring lies within:

где h и H – соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м (Описание полезной модели к патенту РФ №174152, ВО1J 19/30, 2017 г.). where h and H are, respectively, the heights of the inner body of revolution and the outer ring, m (Description of the utility model to RF patent No. 174152, BO1J 19/30, 2017).

Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов является недостаточная поверхность контакта фаз, из-за чего уменьшается производительность самой конструкции.The disadvantage of this packing for heat and mass transfer processes is the insufficient contact surface of the phases, which reduces the performance of the structure itself.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных посредством двух пружин тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига, и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным из материала, обладающего эффектом памяти, и соединено с наружным кольцом на верхнем торце, причем наружное кольцо выполнено из того же материала, обладающего эффектом памяти, что и внутреннее тело вращения, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца в горячем рабочем состоянии лежит в пределах:The closest technical solution in terms of a set of features to the declared object and taken as a prototype is a nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of bodies of revolution located one inside the other and connected by two springs of rotation bodies having the shape of cylindrical surfaces, the internal body of rotation is located at a distance from the outer body of revolution, made in the form of Raschig rings, and arranged in orderly rows, while the ratio of the outer diameter of the inner body of revolution to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the inner body of revolution is made uniformly perforated from a material with a memory effect and is connected with an outer ring at the upper end, and the outer ring is made of the same material with a memory effect as the inner body of revolution, and the ratio of the height of the inner body of revolution to the height of the outer ring in a hot working state lies within:

где h и Н - соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м (Описание полезной модели к патенту РФ №189422, ВО1J 19/30, 2019 г.). where h and H are, respectively, the heights of the inner body of revolution and the outer ring, m (Description of the utility model to RF patent No. 189422, BO1J 19/30, 2019).

Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов является недостаточная подвижность внутреннего тела вращения относительно наружного кольца, которая уменьшает скорость тепло- и массопереноса, а значит уменьшается производительность самой конструкции.The disadvantage of this nozzle for heat and mass transfer processes is the insufficient mobility of the inner body of rotation relative to the outer ring, which reduces the rate of heat and mass transfer, which means that the performance of the structure itself decreases.

Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для тепло- и массообменных процессов ректификации является увеличение производительности.The technical result of the proposed design of packing for heat and mass transfer processes of rectification is to increase productivity.

Технический результат достигается тем, что насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого тел вращения, выполненных из одного и того же материала с эффектом памяти и имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде колец Рашига, и уложенных упорядоченно в ряды, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела вращения к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, причем внутреннее тело вращения выполнено в виде двух частей, соединенных между собой винтовыми пружинами, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца в горячем рабочем состоянии лежит в пределах:The technical result is achieved by the fact that the nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of bodies of revolution located one inside the other, made of the same material with a memory effect and having the shape of cylindrical surfaces, the inner body of revolution is located at a distance from the outer body of revolution , made in the form of Raschig rings, and arranged in orderly rows, while the ratio of the outer diameter of the inner body of revolution to the inner diameter of the outer ring is 0.7, and the inner body of revolution is made in the form of two parts connected by helical springs, and the height ratio of the inner body of rotation to the height of the outer ring in a hot working condition lies within:

(1)

(one)

где h и H – соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м.where h and H are respectively the heights of the inner body of revolution and the outer ring, m.

Выполнение внутреннего тело вращения виде двух частей, соединенных между собой винтовыми пружинками, позволяет насадке совершать осевые и продольные колебания относительно друг друга и внутри наружного кольца, что способствует увеличению скорости тепло- и массопередачи, а значит и производительности.The implementation of the inner body of rotation in the form of two parts, connected by helical springs, allows the nozzle to perform axial and longitudinal vibrations relative to each other and inside the outer ring, which contributes to an increase in the rate of heat and mass transfer, and hence productivity.

Выполнение внутреннего тело вращения разделенного на две части и соединенных между собой посредством винтовых пружинок, позволяет проводить свободно регенерацию, так как они не соединены жестко между собой, а свободно устанавливается внутри внутреннего тела вращения относительно наружного кольца. Их можно разбирать, что в свою очередь уменьшит время очистки и увеличит время основной работы, а значит и повысит производительность.The execution of the inner body of rotation, divided into two parts and interconnected by means of helical springs, allows free regeneration, since they are not rigidly connected to each other, but freely installed inside the inner body of rotation relative to the outer ring. They can be disassembled, which in turn will shorten the cleaning time and increase the main work time, and therefore increase productivity.

В горячем рабочем состоянии увеличение диапазона отношения (1) высот внутреннего тела вращения и наружного кольца до величин 0,6÷0,7 приводит к росту поверхности внутреннего кольца на 30-40%, что способствует увеличению скорости тепло- и массопередачи, а значит и производительности.In a hot working state, an increase in the ratio range (1) of the heights of the inner body of revolution and the outer ring to values of 0.6 ÷ 0.7 leads to an increase in the surface of the inner ring by 30-40%, which contributes to an increase in the rate of heat and mass transfer, and hence productivity.

Уменьшение нижнего значения отношения (1) до предела, равного 0,6, приводит к снижению поверхности тепло- и массопередачи внутреннего тела вращения, что приводит к снижению производительности. Увеличение верхнего предела отношения (1), равного 0,7 может вызвать при монтаже внутреннего тела вращения на наружном кольце перекос их установки относительно друг друга или в процессе работы при колебаниях внутреннего кольца под действием потока газа, а также удары внутреннего кольца о торцы наружных колец в выше- и ниже расположенных рядах, приводящие к механическим повреждениям, уменьшенной амплитуды колебаний внутреннего кольца или их полному прекращению и снижению производительности.A decrease in the lower value of the ratio (1) to the limit equal to 0.6 leads to a decrease in the surface of heat and mass transfer of the internal body of revolution, which leads to a decrease in productivity. An increase in the upper limit of the ratio (1), equal to 0.7, can cause, when the inner body of revolution is mounted on the outer ring, their installation is skewed relative to each other or during operation when the inner ring vibrates under the action of the gas flow, as well as impacts of the inner ring against the ends of the outer rings in the higher and lower rows, leading to mechanical damage, a reduced amplitude of oscillations of the inner ring or their complete cessation and a decrease in productivity.

Использование для изготовления наружного кольца и внутреннего тела вращения одного и того же материала, обладающего эффектом памяти, позволяет значительно упростить и ускорить процессы очистки и удаления термических тепло- и массопередающих поверхностей наружного кольца и внутреннего тела вращения, что будет способствовать увеличению производительности.The use of the same material with a memory effect for the manufacture of the outer ring and the inner body of revolution makes it possible to significantly simplify and speed up the cleaning and removal of thermal heat and mass transfer surfaces of the outer ring and the inner body of revolution, which will increase productivity.

При остановке работы колонны температура наружных колец и внутреннего тела вращения уменьшается, их высоты Н и h также уменьшаются до величины, соответствующей их размерам в холодном состоянии. При таких предельных изменениях размеров термические отложения (солевой камень, сажа и др.) растрескиваются, разламываются и легко смываются водой или раствором или сдуваются сжатым воздухом. Это уменьшает время подготовки колонны с насадкой к новому циклу работы, а значит увеличивает основное время ее работы и производительность.When the column stops working, the temperature of the outer rings and the inner body of revolution decreases, their heights H and h also decrease to a value corresponding to their dimensions in the cold state. With such extreme changes in size, thermal deposits (salt stone, soot, etc.) crack, break, and are easily washed off with water or a solution or blown off by compressed air. This reduces the time required to prepare the packed column for a new work cycle, which means it increases its main operating time and productivity.

На фиг. 1 в разрезе изображено кольцо Рашига с внутренним телом вращения в разрезе, на фиг. 2 показана упорядоченно уложенная насадка предлагаемой конструкции в массообменном аппарате.FIG. 1 shows a sectional view of a Raschig ring with an internal body of revolution in section, FIG. 2 shows an ordered packing of the proposed design in a mass transfer apparatus.

Насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного кольца 1 с внутренним диаметром D и высотой H и внутреннего тела вращения с внешним диаметром d и высотой h. Внутреннее тело вращения выполнено в виде двух частей – верхней 2 и нижней 3, соединенных между собой двумя винтовыми пружинками 4. Отношение внешнего диаметра d внутреннего тела вращения, разделенного на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, к внутреннему диаметру D наружного кольца 1 равно 0,7, а отношение их высот в нагретом горячем рабочем состоянии подчиняется условию (1). Наружное кольцо 1 и внутреннее тело вращения, разделенные на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, выполнены из одного и того же материала, обладающего эффектом памяти формы. Наружные кольца 1 упорядоченно установлены на опорных решетках внутри колонны, а внутри каждого наружного кольца 1 установлены внутренние тела вращения, разделенные на две части: верхнюю 2 и нижнюю 3.The packing for heat and mass transfer processes consists of an outer ring 1 with an inner diameter D and a height H and an inner body of revolution with an outer diameter d and a height h. The inner body of revolution is made in the form of two parts - upper 2 and lower 3, connected by two helical springs 4. The ratio of the outer diameter d of the inner body of revolution, divided into two parts, upper 2 and lower 3, to the inner diameter D of the outer ring 1 is 0 , 7, and the ratio of their heights in a heated hot working state obeys condition (1). The outer ring 1 and the inner body of revolution, divided into two parts, upper 2 and lower 3, are made of the same shape memory material. The outer rings 1 are arranged in an orderly manner on the support grids inside the column, and inside each outer ring 1 there are internal bodies of revolution, divided into two parts: the upper 2 and the lower 3.

Торцы наружных колец 1 не взаимодействуют с торцами внутренних тел вращения, разделенных на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, и последние могут свободно колебаться на пружинках 4 внутри наружных колец 1. The ends of the outer rings 1 do not interact with the ends of the inner bodies of revolution, divided into two parts, upper 2 and lower 3, and the latter can freely oscillate on springs 4 inside the outer rings 1.

Насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом. Крупные наружные кольца 1 укладываются правильными рядами со сдвигом верхних рядов относительно нижних, при этом послойно внутри каждого наружного кольца 1, устанавливается внутреннее тело вращения, выполненное в виде верхней 2 и нижней 3 частей, соединенных между собой винтовыми пружинками 4. Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ (пар). Под действием потока газа каждое внутреннее тело вращения, выполненное в виде верхней 2 и нижней 3 частей, соединенных между собой винтовыми пружинками 4, совершает осевые колебания, которые передаются всплывающими пузырьками газа. Это обстоятельство приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа и жидкости и к увеличению производительности тепло- и массообменных процессов в целом. Под действием тепла наружного кольца 1 вместе с внутренним телом вращения, разделенного на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, выполненные из одного материала, обладающего эффектом памяти, начинает увеличивать свою длину, что приводит к увеличению поверхности тепло- массопередачи. Особенно эффективно в использовании предлагаемой конструкции насадки в массообменных насадочных колоннах с пульсирующей подачей газа или пара.The packing for heat and mass transfer processes works as follows. Large outer rings 1 are stacked in regular rows with a shift of the upper rows relative to the lower ones, while layer-by-layer inside each outer ring 1, an internal body of revolution is installed, made in the form of upper 2 and lower 3 parts, interconnected by helical springs 4. From above, the nozzle is sprayed with liquid, and gas (steam) is supplied from below. Under the action of the gas flow, each internal body of revolution, made in the form of upper 2 and lower 3 parts, interconnected by helical springs 4, performs axial vibrations, which are transmitted by floating gas bubbles. This circumstance leads to the intensification of heat and mass transfer at the interface between the phases of gas and liquid and to an increase in the productivity of heat and mass transfer processes in general. Under the influence of heat, the outer ring 1 together with the inner body of revolution, divided into two parts upper 2 and lower 3, made of the same material with a memory effect, begins to increase its length, which leads to an increase in the surface of heat and mass transfer. It is especially effective in using the proposed design of packing in mass-transfer packed columns with pulsating gas or steam supply.

При завершении цикла работы снижается температура внешние кольца Рашига и внутреннее тело вращения, выполненные из одного и того же материала, обладающего эффектом памяти, начинают уменьшаться в длине на 10-20%. Это приводит к растрескиванию термических отложений и способствует их удалению из насадки при продувке воздухом или промывке водой. Это уменьшает время подготовки насадочной колонны к основному циклу работы и соответственно к увеличению производительности. At the end of the cycle of work, the temperature of the outer Raschig rings and the inner body of revolution, made of the same material with a memory effect, begin to decrease in length by 10-20%. This leads to cracking of thermal deposits and helps to remove them from the packing when blowing with air or washing with water. This reduces the time it takes to prepare the packed string for the main cycle of operation and, accordingly, to increase productivity.

Таким образом, изготовление наружного кольца 1 вместе с внутренним телом вращения, выполненных из одного и того же материала с эффектом памяти и подчиняющимся соотношению (1), а также выполнение внутреннего тела вращения в виде верхней 2 и нижней 3 частей, которые могут свободно колебаться на винтовых пружинках 4 внутри наружных колец 1, позволяет насадке совершать осевые колебания, что приводит к увеличению производительности. За счет того что наружное кольца 1 вместе с внутренним телом вращения, разделенные на две части верхнюю 2 и нижнюю 3, не соединены жестко между собой, их можно свободно разбирать и проводить регенерацию. После остановке работы колонны температура наружных колец 1 и внутреннего тела вращения уменьшается, их высоты Н и h при этом уменьшаются до величины, соответствующей их размерам в холодном состоянии. Это будет способствовать уменьшению времени очистки и увеличению времени основной работы, а значит и повысит производительность.Thus, the manufacture of the outer ring 1 together with the inner body of revolution, made of the same material with a memory effect and obeying the relation (1), as well as the implementation of the inner body of rotation in the form of the upper 2 and lower 3 parts, which can freely oscillate on coil springs 4 inside the outer rings 1, allows the nozzle to perform axial vibrations, which leads to an increase in productivity. Due to the fact that the outer ring 1 together with the inner body of revolution, divided into two parts upper 2 and lower 3, are not rigidly connected to each other, they can be freely disassembled and regenerated. After stopping the operation of the column, the temperature of the outer rings 1 and the inner body of revolution decreases, their heights H and h decrease to a value corresponding to their dimensions in the cold state. This will help to reduce cleaning time and increase main work time, and therefore increase productivity.

Claims

A nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of bodies of revolution located one inside the other, made of the same material with a memory effect and having the shape of cylindrical surfaces, the inner body of revolution is located at a distance from the outer body of revolution, made in the form of Raschig rings , and arranged in orderly rows, while the ratio of the outer diameter of the inner body of revolution to the inner diameter of the outer ring is 0.7, characterized in that the inner body of revolution is made in the form of two parts interconnected by helical springs, and the ratio of the height of the inner body of revolution to the height of the outer ring in hot working condition lies within:

where h and H are respectively the heights of the inner body of revolution and the outer ring, m.