RU208973U1 - Насадка для массообменного аппарата - Google Patents

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к насадке для массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармакологической, машиностроительной, металлургической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов, вентиляционных выбросов и сточных вод от вредных примесей.Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата является увеличение производительности.Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для массообменного аппарата, содержащая проволоку, верхний и нижний перфорированные диски, механизм осевого перемещения насадки и стержень, жестко соединенный с верхним диском и установленный осесимметрично с аппаратом, причем в качестве механизма осевого перемещения насадки установлен пульсатор, закрепленный с внешней стороны аппарата над верхним диском.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к насадке для массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармакологической, машиностроительной, металлургической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов, вентиляционных выбросов и сточных вод от вредных примесей.

Известны конструкции колонных аппаратов с односторонней вибрацией насадки, состоящие из корпуса, внутри которых помещены диски с отверстиями. Диски крепятся к штанге, получающей вертикальные направленные колебания от вибровозбудителя, обычно механического типа [Варсанофьев В.Д. Вибрационная техника в химической промышленности / В.Д. Варсанофьев, Э.Э. Кольман-Иванов. - М.: Химия, 1985. - 240 с., стр. 214].

К причинам препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность создания высокой амплитуды колебаний от вибровозбудителя, так как это приводит к высоким силам инерции, связанным с большой массой штанги и дисков с отверстиями, а невысокая допускаемая амплитуда вибрации не позволяет значительно увеличить скорости тепло- и массообменных процессов на границе раздела фаз, что снижает производительность колонных аппаратов.

Известна насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, фиксирующие элементы в виде параллельных стержней, установленных в проволоке или полимерных мононитях и закрепленных на концах пластинами, при этом пластины выполнены в виде перфорированных дисков, а стержни - в виде болтов, равномерно установленных по окружности дисков, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет

d/D=0.94÷0.98,

где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата (Патент на полезную модель РФ №109015, B01J 19/32, 2011 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится необходимость остановки работы насадочного аппарата для регулирования удельной поверхности насадки и свободного объема путем изменения высоты насадки, а также неподвижности элементов насадки (проволоки или полимерных нитей), что снижает скорость тепло- и массопереноса, снижая тем самым производительность по жидкости и газу.

Известна насадка для массообменных аппаратов из проволочных спиралей и стеклянного волокна, обладающая высокой удельной поверхностью и свободным объемом (В.М.Рамм. Абсорбция газов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Химия, 1976, С.315-316).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, неравномерность распределения материала и гидравлического сопротивления по ее объему, что приводит к разному времени пребывания очищаемой среды в насадке и необходимости снижения расходов жидкости и газа, что в свою очередь снижает производительность.

Известна насадка в контактном аппарате для озонирования вредных систем, выполненная из объемного нетканого волокнистого модуля с поровым пространством 0,7-0,99, представляющего собой беспорядочно уложенные в объеме и точечно-скрепленные в местах соприкосновений прочные нити с диаметром 0,2-2 мм из полимерного материала, инертного к воздействию водной системы и озона (Свидетельство на полезную модель 33759, РФ C02F 1/78, 2003 г.).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неравномерность структуры пор и поверхности объемного нетканого волокнистого модуля, что приводит к разному гидравлическому сопротивлению, времени пребывания и массопереносу улавливаемых молекул, а значит к необходимости снижения расходов жидкости и газа, что в целом снижает производительность.

Известна насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку и перфорированные диски, в которой отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет

где d и D - соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, м, причем под нижним диском установлен пульсатор колебаний газа, а на верхнем диске осесимметрично закреплен дополнительный груз с массой, определяемой выражением

где m - масса дополнительного груза, кг;

α - упругость насадки из проволоки, Н/м;

f - частота пульсатора колебаний газа, Гц;

М-масса верхнего диска, кг [пм. №186315, МПК B01J 19/32, B01D 45/00, 2019].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится неподвижность элементов насадки при противоточном движении вокруг их поверхности раздела жидкости и газа, что снижает скорость массопереноса и производительность.

Наиболее близким техническим решением по назначению и совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является насадка для массообменного аппарата, содержащая проволоку или полимерные мононити, стержень и перфорированные диски, при этом отношение диаметра диска к внутреннему диаметру аппарата составляет d/D=0,94÷0,98, стержень установлен осесимметрично с аппаратом и имеет возможность осевого перемещения, причем нижний торец стержня жестко соединен с верхним перфорированным диском, а верхний торец - с механизмом осевого перемещения [пм. №117310, МПК B01 D45/00, 2012].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная подвижность насадки, что приводит к образованию застойных зон, неподвижности пограничных слоев между стекающей по насадке и движущейся навстречу газу жидкости, снижению скорости тепло- и массопереноса и производительности.

Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата является увеличение производительности.

Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для массообменного аппарата, содержащей проволоку, верхний и нижний перфорированные диски, диаметр которых подчиняется соотношению

(1)

где d и D – соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, м; механизм осевого перемещения насадки и стержень, жестко соединенный с верхним диском и установленный осесимметрично с аппаратом, причем в качестве механизма осевого перемещения насадки установлен пульсатор, закрепленный с внешней стороны аппарата над верхним диском, а масса стержня определяется выражением

, (2)

где m и M – соответственно масса стержня и верхнего диска, кг;

а – упругость насадки, Н/М;

– число Пифагора;

– частота колебаний пульсатора, Гц.

Установка пульсатора, выступающего в качестве механизма осевого перемещения насадки с внешней стороны аппарата над верхним диском, позволяет создавать колебания в насадке с частотой, равной частоте колебаний пульсатора, что интенсифицирует процессы тепло- и массопередачи в пограничных слоях жидкости и газа, и способствует росту производительности.

Установка пульсатора над верхним диском, где в основном находится упругая газовая среда, способствует передаче упругих колебаний, идущих от пульсатора в объем насадки, так как газ значительно в большей степени способен менять свой объем, чем жидкая фаза. Это увеличивает зону колебаний по всему объему насадки, состоящей из проволоки, снижает объем застойных зон в насадке, что в целом способствует росту производительности.

Выполнение стержня, установленного осесимметрично с аппаратом и жестко соединенного с верхним диском, с массой, подчиняющейся выражению (2), позволяет перевести колебания этого диска вместе с насадкой в резонансный режим с большой амплитудой, что значительно интенсифицирует тепло- и массообменные процессы, происходящие в насадке на поверхности проволоки, из-за их колебаний вместе с верхним диском, что еще в большей степени способствует росту производительности [Б.Г. Новицкий, Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах/Б. Г. Новицкий. - М. : Химия, 1983. - 191 с., стр. 136].

Верхний диск с массой M и осесимметрично установленный с ним стержень с массой m, то есть с общей массой M+m, уложенный на упругую проволоку, образуют физический маятник, собственная частота колебаний которого подчиняется формуле

, (3)

[Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. 1-е изд. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1980 г. — 944 с., стр.590].

Для обеспечения резонанса необходимо, чтобы собственная частота физического маятника равнялась частоте вынужденных колебаний пульсатора

, (4).

Решая совместно уравнения (3) и (4) относительно массы стержня m, получаем выражение (2).

На чертеже представлен общий вид предлагаемой конструкции насадки для массообменного аппарата в разрезе.

Насадка состоит из цилиндрического корпуса 1 с крышкой 2, снабженной патрубками подачи жидкости 3 и отвода газа 4, днища 5 с патрубками для подачи газа 6 и отвода жидкости 7. В корпусе 1 в верхней части установлен патрубок 8, к которому присоединен пульсатор 9. Внутри корпуса 1 на опорах закреплен неподвижный перфорированный нижний диск 10, на который уложен слой насадки11, выполненный из проволок. Сверху на слой насадки 11 уложен перфорированный верхний диск 12. Диаметр d верхнего 12 и нижнего 10 дисков меньше внутреннего диаметра D корпуса 1, в соответствии с соотношением (1). Осесимметрично с корпусом 1 на верхнем перфорированном диске 12 жестко закреплен стержень 13, масса которого m с массой верхнего перфорированного диска 12 подчиняется выражению (2). При этом патрубок 8 с пульсатором 9 закреплены на верхним диском 12.

Насадка для массообменного аппарата работает следующим образом.

По патрубку 3 внутрь аппарата 1 подают жидкость. Одновременно по патрубку 6 подают газ и включают пульсатор 9, создающий колебания в слое насадки 11 с частотой

. Так как эта частота совпадает с собственной частотой

колебаний физического маятника, каким являются слой насадки 11, состоящей из проволоки разного диаметра, с верхним перфорированным диском 12 и стержнем 13,совершает вынужденные колебания с частотой колебаний пульсатора 9, но с резонансной, а значит большой амплитудой колебаний поверхностей проволоки насадки 11. Эти колебания вызывают интенсивные по амплитуде колебания поверхностей раздела фаз газа и жидкости, через пограничные слои которых идут процессы тепло- и массопередачи большей и интенсивности, турбулизирующей оба потока, резко снижающей застойные зоны в целом приводящие к росту производительности тепло- и массообменных процессов в жидкой и газовой фазах.

Пример. В корпус аппарата 1 на нижний перфорированный диск 10 уложен слой насадки 11- проволоки, обладающей упругими свойствами, то есть деформируемой под нагрузкой и восстанавливающей свой объем после снятия этой нагрузки.

На слой насадки 11 высотой H=0,5 м уложили диск 12 массой М=3 кг, то есть весом Р=3 кг или Р=

Н, ∆=0,005 м, то есть 5 мм. Тогда упругость насадки составляет

.

При частоте колебаний пульсатора 9

Гц, масса стержня 13 должна составлять согласно выражению (2)

кг.

Выполняем стержень 13 из стали

, тогда объем стержня 13 должен равняться

см³.

Выбираем стержень 13 диаметром d_c=5 см. Тогда высота стержня 13 должна быть

см,

то есть стержень 13 из стали плотностью

, диаметром 5 см и высотой 6,1 см будет иметь массу m=950 г, который вместе с массой верхнего перфорированного диска 12 массой M=3 кг будет обеспечивать резонансный режим колебаний насадки 11 с диском 12 и стержнем 13 с собственной частотой колебаний, совпадающей с вынужденной частотой пульсатора 9

Гц при упругости проволоки разной толщины насадки 11, равной

Таким образом, установка пульсатора с внешней стороны аппарата над верхним диском и массы стержня, подчиняющейся условию (2), позволяет создавать резонансный режим колебаний верхнего диска со стержнем и насадкой с частотой равной частоте колебаний пульсатора и высокой резонансной амплитудой, вызывающей колебания поверхностей проволоки, что уменьшает толщину пограничных слоев в жидкой и газовой фазах, на которых происходит тепло- и массообмен, интенсифицирует застойные зоны, что в целом способствует росту производительности.

Claims (9)

1. Массообменный аппарат, включающий насадку, содержащую проволоку, верхний и нижний перфорированные диски, диаметр которых подчиняется соотношению
2. 
3. где d и D – соответственно диаметр диска и внутренний диаметр аппарата, м,
4. механизм осевого перемещения насадки и стержень, жестко соединенный с верхним диском и установленный осесимметрично с аппаратом, отличающийся тем, что в качестве механизма осевого перемещения насадки установлен пульсатор, закрепленный с внешней стороны аппарата над верхним диском, а масса стержня определяется выражением
5. 

   ,
6. где m и M – соответственно масса стержня и верхнего диска, кг;
7. а – упругость насадки, Н/М;
8. 

   – число Пифагора;
9. 

   – частота колебаний пульсатора, Гц.

Images