RU205538U1

RU205538U1 - Dynamic packing for heat and mass transfer processes

Info

Publication number: RU205538U1
Application number: RU2020119800U
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Меренцов; Александр Борисович Голованчиков; Александр Владимирович Персидский; Михаил Владимирович Топилин; Виталий Николаевич Лебедев
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-07-20

Abstract

Предлагаемое техническое решение 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.Техническим результатом 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, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела к внутреннему диаметру наружного тела равно 0,7, причем наружнее и внутреннее тела вращения выполнены гофрированными и соединены между собой посредством конической пружины переменной жесткости, при этом внутреннее тело верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины, а верхний виток пружины переменной жесткости соединен с наружным телом на его верхнем торце.The proposed technical solution refers to packing used in column apparatus, primarily for heat and mass transfer processes, and can be used in chemical, petrochemical, energy, metallurgical, food, pharmacological and other industries. The technical result is an increase in the productivity of mass transfer apparatus. The technical result is achieved by the fact that a dynamic nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of bodies of revolution located one inside the other and connected, the inner body of revolution is located at a distance from the outer body of revolution, while the ratio of the outer diameter of the inner body to the inner diameter of the outer body is 0.7, and the outer and inner bodies of revolution are made corrugated and are interconnected by means of a conical spring of variable stiffness, while the inner body is connected by its upper end to the lower smallest coil of the spring, and the upper coil a spring of variable stiffness is connected to the outer body at its upper end.

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.The proposed technical solution refers to packing used in column apparatus, primarily for carrying out heat and mass transfer processes of absorption, extraction, rectification and can be used in chemical, petrochemical, energy, metallurgical, food, pharmacological and other industries, as well as in ecological processes of separation of 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 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 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, connected to the outer ring on the lower ring (Description of the utility model to RF patent No. 162267, B01J 19/30, 2016. ).

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.The reasons that impede the achievement of a given technical result include insufficient intensity of heat and mass transfer processes and relatively low productivity associated with a narrow dynamic range of oscillations of the inner body (turbulizer) and the need for spatial orientation of the packing elements, as well as the complexity of manufacturing due to the connection of the external and internal bodies of rotation with each other by means of several springs.

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: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 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.The disadvantage of this packing for heat and mass transfer processes is the insufficient intensity of heat and mass transfer processes and relatively low productivity associated with a narrow resonant range of oscillations of the inner body (turbulizer), as well as the need for an ordered spatial orientation of packing elements, as well as the complexity of manufacturing due to connecting the external and internal bodies of rotation with each other by means of several springs.

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 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: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 having the shape of cylindrical surfaces, and the inner body of revolution is located at a distance from the outer body rotation, while the bodies of revolution are made in the form of Raschig rings and are connected at the end parts by at least two springs, and the ratio of the outer diameter of the inner ring 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 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 RF patent No. 148733, B01J 19/00, 2014).

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.The reasons that impede the achievement of a given technical result include the low efficiency of mass transfer processes and relatively low productivity associated with a narrow resonant range of oscillations of the inner body (turbulizer) and the need for spatial orientation of the packing elements, as well as the complexity of manufacturing due to the connection of the outer and inner bodies of revolution with each other by means of several springs.

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

Технический результат достигается тем, что динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов, выполненная в виде расположенных одно внутри другого и соединенных тел вращения, внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения, при этом отношение наружного диаметра внутреннего тела к внутреннему диаметру наружного тела равно 0,7, причем наружнее и внутреннее тела вращения выполнены гофрированными и соединены между собой посредством конической пружины переменной жесткости, при этом внутреннее тело верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины, а верхний виток пружины переменной жесткости соединен с наружным телом на его верхнем торце.The technical result is achieved by the fact that the dynamic nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of located one inside the other and connected bodies of rotation, the inner body of rotation is located at a distance from the outer body of rotation, while the ratio of the outer diameter of the inner body to the inner diameter of the outer body is equal to 0.7, and the outer and inner bodies of rotation are corrugated and interconnected by means of a conical spring of variable stiffness, while the inner body is connected by the upper end to the lower smallest coil of the spring, and the upper coil of the spring of variable stiffness is connected to the outer body at its upper end ...

Соединение наружного и внутреннего тел вращения посредством конической пружины переменной жесткости таким образом, что внутреннее тело верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины, а верхний виток пружины переменной жесткости соединен с наружным телом на его верхнем торце, 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.The connection of the external and internal bodies of revolution by means of a conical spring of variable stiffness in such a way that the inner body is connected by its upper end with the lower smallest coil of the spring, and the upper coil of the variable-stiffness spring is connected to the external body at its upper end, will provide resonant oscillations of the internal body of rotation in a wide the range of velocities of the gas (vapor) and liquid phases, which will lead to a significant intensification of heat and mass transfer processes and an increase in the productivity of mass transfer devices, in addition, such a structural arrangement of the packing element makes the heat and mass transfer packing very technological and easy to manufacture, which does not impose strict requirements for spatial orientation and stacking in ordered rows.

Выполнение наружного и внутреннего тел вращения гофрированными позволяет резко увеличить удельную поверхность насадочных элементов, и создать дополнительные турбулизации потоков продуктов массообмена вблизи наружных и внутренних поверхностей динамических насадочных элементов, что приводит к образованию микро- и макровихрей, локальных зон микроперемешивания, что в свою очередь обеспечивает интенсификацию процессов тепло- и массообмена на границе раздела фаз контактирующих сред и способствует развитию и поддержанию динамического эффекта резонансных колебаний насадочных элементов, что в целом значительно повышает производительность.Making the outer and inner bodies of rotation corrugated allows you to dramatically increase the specific surface of the packing elements, and create additional turbulization of flows of mass transfer products near the outer and inner surfaces of dynamic packing elements, which leads to the formation of micro- and macro-vortices, local micro-mixing zones, which in turn provides intensification processes of heat and mass transfer at the interface between the phases of contacting media and contributes to the development and maintenance of the dynamic effect of resonant vibrations of packed elements, which in general significantly increases productivity.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображен общий вид возможных исполнений заявляемой динамической насадки для тепло- и массообменных процессов.FIG. 1 and FIG. 2 shows a general view of possible versions of the inventive dynamic packing for heat and mass transfer processes.

Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов состоит из наружного тела вращения 1 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. Наружнее 1 и внутреннее 2 тела выполнены гофрированными.A dynamic nozzle for heat and mass transfer processes consists of an outer body of revolution 1 with an inner diameter D, and an inner body of revolution 2 with an outer diameter d. The ratio of the outer diameter d of the inner body 2 to the inner diameter D of the outer body 1 is 0.7. The outer 1 and inner 2 bodies are made corrugated.

Наружнее 1 и внутреннее 2 тела соединены между собой посредством конической пружины 3 переменной жесткости, при этом внутреннее тело 2 верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины 3, а верхний виток пружины 3 переменной жесткости соединен с наружным кольцом 1 на его верхнем торце. Тепло- и массообменные насадочные элементы могут засыпаться внавал или укладываться в упорядоченные ряды, в зависимости от требований конкретного процесса и аппарата и габаритных размеров насадочных элементов.The outer 1 and inner 2 bodies are interconnected by means of a conical spring 3 of variable stiffness, while the inner body 2 is connected by its upper end to the lower smallest turn of the spring 3, and the upper turn of the spring 3 of variable stiffness is connected to the outer ring 1 at its upper end. Heat and mass transfer packing elements can be poured in bulk or stacked in ordered rows, depending on the requirements of a particular process and apparatus and the overall dimensions of the packing elements.

Торцы наружных тел 1 не взаимодействуют с торцами внутренних тел 2, и последние могут свободно колебаться на пружине 3 внутри наружных тел 1. The ends of the outer bodies 1 do not interact with the ends of the inner bodies 2, and the latter can freely oscillate on the spring 3 inside the outer bodies 1.

Динамическая насадка для тепло- и массообменных процессов работает следующим образом.Dynamic packing for heat and mass transfer processes works as follows.

Тепло- и массообменные насадочные элементы, состоящие из наружного тела вращения 1 с внутренним диаметром D и внутреннего тела вращения 2 с наружным диаметром d, которые выполнены гофрированными и соединены между собой посредством конической пружины 3 переменной жесткости, засыпаются в колонну внавал или укладываться в упорядоченные ряды.Heat and mass transfer packing elements consisting of an outer body of revolution 1 with an inner diameter D and an inner body of revolution 2 with an outer diameter d, which are corrugated and interconnected by means of a conical spring 3 of variable stiffness, are poured into a column in bulk or placed in ordered rows ...

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. Выполнение наружного 1 и внутреннего 2 тел динамических насадочных элементов гофрированными существенно увеличивает удельную поверхность насадочных элементов и приводит к дополнительной турбулизации потоков продуктов массообмена вблизи наружных и внутренних поверхностей динамических насадочных элементов, развитию микро- и макровихрей в каналах, образованных оребрением (гофрированием) насадочных элементов, локальных зон микроперемешивания, что в свою очередь обеспечивает условия для интенсификации процессов тепло- и массообмена на границе раздела фаз контактирующих сред и способствует развитию и поддержанию динамического эффекта резонансных колебаний насадочных элементов, что способствует значительному повышению производительности в целом. The top of the packing is sprayed with liquid, and the bottom is supplied with gas (steam) in cases where this packing is used for absorption or rectification processes. In the case of liquid packed extraction, the extractant and the solution can be carried out through the packing in different flow, countercurrent or cocurrent flow patterns. Under the action of a gas (vapor) flow or a pulse of oscillations of a liquid column (packed pulsation extraction), each internal body of revolution 2 performs resonant oscillations, which lead to local turbulization within each packing element, are transmitted by floating gas bubbles, and lead to the activation of washing of liquid films covering internal packing bodies, or activate mutual mixing of the extraction products. This effect leads to the intensification of heat and mass transfer at the interface between the gas (vapor) and liquid phases (for absorption and rectification), to the activation of diffusion processes and mutual mixing of liquid-phase extraction products, which, in general, leads to an increase in the productivity of heat and mass exchange apparatuses. Making the outer 1 and inner 2 bodies of the dynamic packing elements corrugated significantly increases the specific surface of the packing elements and leads to additional turbulization of the flows of mass transfer products near the outer and inner surfaces of the dynamic packing elements, the development of micro- and macro vortices in the channels formed by the ribbing (corrugation) of the packing elements, local zones of micro-mixing, which in turn provides conditions for the intensification of heat and mass transfer processes at the interface between the phases of contacting media and contributes to the development and maintenance of the dynamic effect of resonant vibrations of packing elements, which contributes to a significant increase in productivity in general.

Таким образом, соединение наружного и внутреннего тел вращения, выполненных гофрированными, посредством конической пружины переменной жесткости так, что внутреннее тело верхним торцом соединено с нижним наименьшим витком пружины, а верхний виток пружины переменной жесткости соединен с наружным телом на его верхнем торце, 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 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.Thus, the connection of the outer and inner bodies of revolution, made corrugated, by means of a conical spring of variable stiffness so that the inner body is connected by its upper end to the lower smallest coil of the spring, and the upper coil of a spring of variable stiffness is connected to the outer body at its upper end, leads to intensification mass transfer processes and activation of dispersion and micro-mixing of liquid-phase products of extraction and turbulization of a gas-liquid mixture (absorption and rectification) not only in the entire volume of the mass transfer packing, but also within each individual packing element. And these local intensifying effects are manifested in a natural way, without additional energy costs, due to the energy of pulsating oscillations of the liquid column in the extraction column or the velocities of the gas and vapor phases washing the packed elements in the processes of absorption and rectification. In addition, the developed packing elements do not impose strict requirements on the nature of laying and spatial orientation, exhibiting a turbulizing effect in any positions, which greatly simplifies commissioning and revision maintenance of technological equipment during operation.

Claims

A dynamic nozzle for heat and mass transfer processes, made in the form of bodies of revolution located one inside the other and connected, the inner body of revolution is located at a distance from the outer body of revolution, while the ratio of the outer diameter of the inner ring to the inner diameter of the outer ring is 0.7, differing the fact that the outer and inner rings are corrugated and interconnected by means of a conical spring of variable stiffness, while the inner ring is connected by its upper end to the lower smallest coil of the spring, and the upper coil of the spring of variable stiffness is connected to the outer ring at the upper end.