RU201975U1

RU201975U1 - Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов

Info

Publication number: RU201975U1
Application number: RU2020119870U
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Меренцов; Александр Борисович Голованчиков; Александр Владимирович Персидский; Виталий Николаевич Лебедев; Михаил Владимирович Топилин
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-01-25

Abstract

Полезная модель относится к насадкам, применяемым в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов, и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности. Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей. Внутреннее тело вращения состоит из перфорированной цилиндрической части с отогнутыми внутрь лепестками и расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде кольца Рашига. При этом отношение наружного диаметра внутреннего тела к внутреннему диаметру наружного тела равно 0,7. Причем на верхнем торце наружного тела закреплен верхний виток конической пружины переменной жесткости, нижний наименьший виток которой соединен с верхним торцом внутреннего тела, отогнутые лепестки которого расположены под углом к его образующей. Техническим результатом является увеличение производительности массообменных аппаратов. 3 ил.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к насадкам, применяемых в колонных аппаратах, прежде всего для проведения тепло- и массообменных процессов абсорбции, экстракции, 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.

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:

где h и H – соответственно высоты внутреннего и наружного кольца, причем внутреннее тело вращения выполнено равномерно перфорированным с положительной плавучестью в рабочей жидкости соединено с наружным кольцом на нижнем кольце. (Описание полезной модели к патенту РФ №162267, В01J 19/30, 2016 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность тепло- и массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким динамическим диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора) и необходимость пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.

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, отличающееся 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:

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.).

Недостатком данной насадки для тепло- и массообменных процессов относится недостаточная интенсивность тепло- и массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким резонансным диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора), а также необходимость упорядоченной пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.

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 к внутреннему диаметру наружного кольца равно 0,7, а отношение их высот лежит в пределах:

где h и H – соответственно высоты внутреннего и наружного колец (Описание полезной модели к патенту РФ №148733, В01J 19/00, 2014 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая эффективность массообменных процессов и относительно невысокая производительность, связанные с узким резонансным диапазоном колебаний внутреннего тела (турбулизатора) и необходимость пространственной ориентации насадочных элементов, а также сложность изготовления из-за соединения внешнего и внутреннего тел вращения друг с другом посредством нескольких пружин.

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, выполненных из одного и того же материала с эффектом памяти, 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, и соединено с наружным кольцом на верхнем торце, а отношение высоты внутреннего тела вращения к высоте наружного кольца в горячем рабочем состоянии лежит в пределах:

где h и H – соответственно высоты внутреннего тела вращения и наружного кольца, м, при том, что внутреннее тело вращения состоит из перфорированной цилиндрической части с лепестками, отогнутыми внутрь (Описание полезной модели к патенту РФ №196444, В01J 19/30, 2020 г.).

Техническим результатом предлагаемой конструкции динамической насадки для тепло- и массообменных процессов является увеличение производительности массообменных аппаратов.

Технический результат достигается тем, что динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения, состоящее из перфорированной цилиндрической части с отогнутыми внутрь лепестками, расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде кольца Рашига, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела к внутреннему диаметру наружного тела равно 0,7, причем на верхнем торце наружного тела закреплен верхний виток конической пружины переменной жесткости, нижний наименьший виток которой соединен с верхним торцом внутреннего тела, отогнутые лепестки которого расположены под углом к его образующей.

Соединение наружного и внутреннего тел вращения посредством конической пружины переменной жесткости таким образом, на верхнем торце наружного тела закреплен верхний виток конической пружины переменной жесткости, нижний наименьший виток которой соединен с верхним торцом внутреннего тела, позволит обеспечить резонансные колебания внутреннего тела вращения в широком диапазоне скоростей газовой (паровой) и жидкой фаз, что приведет к существенной интенсификации тепломассообменных процессов и повышению производительности массообменных аппаратов, кроме того, такая конструктивная компоновка насадочного элемента делает тепло- и массообменную насадку очень технологичной и простой в изготовлении, не предъявляющей строгих требований для пространственной ориентации и укладки в упорядоченные ряды.

Расположение отогнутых лепестков внутреннего тела под углом к его образующей позволяет увеличить проницаемость внутреннего тела вращения и развить поверхность контакта, а так же увеличить парусность наклонных лепестков внутреннего насадочного элемента с потоками сплошной газовой (паровой) и жидкой фаз, что повысит усилие сжатия пружины переменной жесткости и поспособствует более интенсивному проявлению динамических и резонансных свойств насадочных элементов. Кроме того, данное расположение лепестков способствует образованию и развитию макро- и микровихрей у поверхностей и в пределах объема динамического насадочного элемента, что способствует интенсивному омыванию поверхностей контакта фаз продуктов массообмена, развивает динамические контактные поверхности насадочных элементов и поддерживает динамические и резонансные свойства насадочных элементов, что в свою очередь интенсифицирует тепло- и массообменные процессы и повышает производительность массообменных аппаратов.

На фиг.1 и 2 показан общий вид динамической насадки для тепло- и массообменных процессов, на фиг.3 – общий вид внутреннего тела.

Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного тела вращения 1, выполненного в виде кольца Рашига с внутренним диаметром D, и внутреннего тела вращения 2 с наружным диаметром d. Отношение наружного диаметра d внутреннего тела 2 к внутреннему диаметру D наружного тела 1 равно 0,7. Внутренне тело 2 состоит из перфорированной цилиндрической части с отогнутыми внутрь лепестками 3, расположенными под углом к его образующей. Внутреннее тело 2 расположено на расстоянии от наружного тела вращения 1.

Наружнее 1 и внутреннее 2 тела соединены между собой посредством конической пружины 4 переменной жесткости, при этом внутреннее тело 2 верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины 4, а верхний виток пружины 3 переменной жесткости закреплен на верхнем торце наружного кольца 1.

Динамические тепло- и массообменные насадочные элементы могут засыпаться внавал или укладываться в упорядоченные ряды, в зависимости от требований конкретного массообменного процесса и аппарата и габаритных размеров насадочных элементов.

Торцы наружных тел 1 не взаимодействуют с торцами внутренних тел 2, и последние могут свободно колебаться на пружине 4 внутри наружных тел 1.

Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом.

Динамические тепло- и массообменные насадочные элементы, состоящие из наружного тела вращения 1, выполненного в виде кольца Рашига с внутренним диаметром D, и внутреннего тела вращения 2 с наружным диаметром d, соединенных между собой посредством конической пружины 4 переменной жесткости, засыпаются в колонну внавал или укладываться в упорядоченные ряды.

Сверху насадка орошается жидкостью, а снизу подается газ (пар) в случаях применения данной насадки для процессов абсорбции или ректификации. В случае жидкостной насадочной экстракции, экстрагент и раствор могут осуществлять через насадку различные схемы тока, противоток или прямоток. Под действием потока газа (пара) или импульса колебаний столба жидкости (насадочная пульсационная экстракция) каждое внутреннее тело вращения 2 совершает резонансные колебания, которые приводят к локальной турбулизации в пределах каждого насадочного элемента, передаются всплывающими пузырьками газа, приводят к активизации омывания пленок жидкости, покрывающих внутренние насадочные тела, либо активизируют взаимное перемешивание продуктов экстракции. Этот эффект приводит к интенсификации тепло- и массообмена на границе раздела фаз газа (пара) и жидкости (для абсорбции и ректификации), к активизации диффузионных процессов и взаимному перемешиванию жидкофазных продуктов экстракции, что в целом приводит к увеличению производительности тепло- и массообменных аппаратов. При этом, выполнение внутреннего тела 2, состоящим из перфорированной цилиндрической части с отогнутыми внутрь лепестками 3, расположенными под углом к его образующей, развивает поверхность контакта и увеличивает парусность наклонных лепестков 3 внутреннего тела 2 с потоками сплошной газовой (паровой) и жидкой фаз, что повышает усилие сжатия пружины переменной жесткости и поспособствует более интенсивному проявлению динамических и резонансных свойств насадочных элементов. Кроме того, данное исполнение внутреннего тела 2 выполняет турбулизирующую функцию, способствует образованию и развитию макро- и микровихрей у поверхностей и в пределах объема динамического насадочного элемента, что способствует интенсивному омыванию поверхностей контакта фаз продуктов массообмена, развивает динамические контактные поверхности насадочных элементов и поддерживает динамические и резонансные свойства насадочных элементов, что в свою очередь интенсифицирует тепло- и массообменные процессы и повышает производительность массообменных аппаратов.

Таким образом, соединение наружного и внутреннего тел вращения посредством конической пружины переменной жесткости таким образом, на верхнем торце наружного тела закреплен верхний виток конической пружины переменной жесткости, нижний наименьший виток которой соединен с верхним торцом внутреннего тела, отогнутые лепестки которого расположены под углом к его образующей, приводит к интенсификации массообменных процессов и активизации диспергирования и микроперемешивания жидкофазных продуктов экстракции и турбулизации газо-жидкостной смеси (абсорбция и ректификация) не только во всем объеме массообменной насадки, но и в пределах каждого отдельного насадочного элемента. И эти локальные интенсифицирующие эффекты проявляются естественным образом, без дополнительных энергетических затрат, за счет энергии пульсационных колебаний столба жидкости в экстракционной колонне или скоростей газовой и паровой фаз омывающих насадочные элементы в процессах абсорбции и ректификации. Кроме того, разработанные динамические насадочные элементы не предъявляют строгих требований к характеру укладки и пространственной ориентации, проявляя турбулизирующий эффект в любых положениях, что существенно упрощает пуско-наладочные операции и ревизионное обслуживание технологического оборудования в процессе эксплуатации.

Claims

Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, имеющих форму цилиндрических поверхностей, внутреннее тело вращения, состоящее из перфорированной цилиндрической части с отогнутыми внутрь лепестками, расположено на расстоянии от наружного тела вращения, выполненного в виде кольца Рашига, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела к внутреннему диаметру наружного тела равно 0,7, отличающаяся тем, что на верхнем торце наружного тела закреплен верхний виток конической пружины переменной жесткости, нижний наименьший виток которой соединен с верхним торцом внутреннего тела, отогнутые лепестки которого расположены под углом к его образующей.