RU2338586C1

RU2338586C1 - Regular structured nozzle for heat and mass exchange devices

Info

Publication number: RU2338586C1
Application number: RU2007121573/15A
Authority: RU
Inventors: А. С. Пушнов (RU); А. С. Пушнов; М. Г. Беренгартен (RU); М. Г. Беренгартен; бушенко А. С. Р (RU); А. С. Рябушенко
Original assignee: Московский государственный университет инженерной экологии
Priority date: 2007-06-09
Filing date: 2007-06-09
Publication date: 2008-11-20

Abstract

FIELD: heating; mechanics.

SUBSTANCE: invention is related to designs of regular structured nozzles that are used in processes of natural gas rectification, absorption, purification and drying, and also as mixers of liquid and gas flows, as sprinklers in cooling towers of circulating heat supply systems, and may find application in practically all technological processes of oil, gas, chemical and other related industries. Regular structured nozzle for heat and mass exchange devices contains unit of horizontal rows of multiple-thread screw elements installed in tiers with permanent gap in relation to each other. Vertical screw elements are installed in gaps between neighbouring screw elements in horizontal rows, and size of gap between all horizontally installed screw elements is equal to external diameter of installed vertical screw elements. Size of external diameter of installed vertical screw elements is in the ratio of 0.32-0.98 to size of external diameter of horizontal screw elements, and gap between the latter is also within these limits.

EFFECT: higher efficiency of heat and mass exchange processes; prevention of non-reacted gas bypassing increase of mechanical strength of nozzle unit.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, которые применяются в процессах ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также в качестве смесителей жидких и газовых потоков в качестве оросителей градирен систем оборотного водоснабжения, и может найти применение практически во всех технологических процессах нефтяной, газовой, химической и других смежных отраслей промышленности.The invention relates to designs of regular nozzles, which are used in the processes of rectification, absorption, purification and drying of natural gas, as well as mixers of liquid and gas flows as sprinklers of cooling towers in water recycling systems, and can be used in almost all technological processes of oil and gas , chemical and other related industries.

Известна регулярная структурированная насадка фирмы «Зульцер» (патент США №4643853, НКИ: 261-112 от 17.02.87), которая выполнена из вертикально установленных гофрированных листов, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом. Гофры на каждом из листов расположены по диагонали и выполнены с отверстиями или насечками вдоль или поперек гофр.Known regular structured nozzle company "Sulzer" (US patent No. 4643853, NKI: 261-112 from 02.17.87), which is made of vertically mounted corrugated sheets in contact with the protruding corrugations with each other. The corrugations on each sheet are located diagonally and are made with holes or notches along or across the corrugations.

Известна также регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов (патент РФ №2188706, МПК 7 В01J 19/32, В01F 3/04 от 10.09.02), состоящая из собранных в пакеты гофрированных листов, установленных вертикально и параллельно с наклоном гофр соседних листов под углом к горизонту в противоположные стороны, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом и образующих между собой свободные каналы сложной геометрической формы.Also known is a regular structured nozzle for heat and mass transfer apparatus (RF patent No. 2188706, IPC 7 В01J 19/32, В01F 3/04 dated 09/10/02), consisting of corrugated sheets assembled in packets, installed vertically and parallel to the slope of the corrugations of adjacent sheets at an angle to the horizon in opposite directions, touching protruding corrugations with each other and forming free channels of complex geometric shapes.

Недостатком таких насадок является то, что они обеспечивают удовлетворительное распределение газовых и жидкостных потоков лишь в пределах замкнутых плоских каналов, образованных параллельными стенками соседних гофрированных пластин. При этом поперечное перемешивание в объеме всей насадки в целом не обеспечивается, что заметно снижает эффективность процессов тепло- и массообмена.The disadvantage of such nozzles is that they provide a satisfactory distribution of gas and liquid flows only within closed flat channels formed by parallel walls of adjacent corrugated plates. In this case, transverse mixing in the volume of the entire nozzle as a whole is not provided, which significantly reduces the efficiency of heat and mass transfer processes.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов, содержащая блок размещенных ярусами горизонтальных рядов многозаходных винтовых элементов, расположенных в каждом ряду с постоянным зазором друг относительно друга (Авторское Свидетельство SU №1760304 A1, F28F 25/08 от 10.05.1990).Closest to the proposed invention is a regular structured nozzle for heat and mass transfer apparatus, containing a block of horizontal rows of multi-threading screw elements arranged in tiers, located in each row with a constant gap relative to each other (Copyright Certificate SU No. 1760304 A1, F28F 25/08 from 10.05 .1990).

К недостаткам этой конструкции следует отнести то, что большая часть потока газа проходит байпасом вертикально по сквозным каналам насадки, поэтому не достигается существенное повышение эффективности тепло- и массообмена в процессах разделения смесей. К недостаткам данной конструкции насадки относится недостаточная турбулизация газовой фазы, а также отсутствие свойств изотропности, что отрицательно сказывается на равномерности распределения газожидкостных потоков во всем объеме насадки. Механическая прочность блока насадки также является недостаточной, что сужает область применения в градирнях систем оборотного водоснабжения.The disadvantages of this design include the fact that most of the gas flow passes bypass vertically through the through channels of the nozzle, therefore, a significant increase in the efficiency of heat and mass transfer in the separation processes of mixtures is not achieved. The disadvantages of this nozzle design include insufficient turbulence of the gas phase, as well as the lack of isotropic properties, which negatively affects the uniform distribution of gas-liquid flows in the entire nozzle volume. The mechanical strength of the nozzle block is also insufficient, which narrows the scope in cooling towers of water recycling systems.

Задача изобретения - повышение эффективности процессов тепло- и массообмена за счет образования квазиизотропной структуры в объеме блока насадки, предотвращение байпаса непрореагировавшего газа, повышение интенсификации массообмена за счет турбулизации потоков внутри всего объема насадки, а также увеличение механической прочности блока насадки.The objective of the invention is to increase the efficiency of heat and mass transfer due to the formation of a quasi-isotropic structure in the volume of the nozzle block, to prevent bypass of unreacted gas, to increase the intensification of mass transfer due to turbulence of flows within the entire nozzle volume, as well as to increase the mechanical strength of the nozzle block.

Поставленная задача достигается тем, что в регулярной структурированной насадке для тепло- и массообменных аппаратов, содержащей блок размещенных ярусами горизонтальных рядов многозаходных винтовых элементов, расположенных в каждом ряду с постоянным зазором относительно друг друга, согласно изобретению в зазоры между соседними винтовыми элементами в горизонтальных рядах вставлены вертикальные винтовые элементы, а величина зазора между всеми горизонтально расположенными винтовыми элементами равна наружному диаметру вставленных вертикальных винтовых элементов.The task is achieved by the fact that in a regular structured nozzle for heat and mass transfer apparatus, containing a block of horizontal rows of multi-threading screw elements arranged in tiers located in each row with a constant gap relative to each other, according to the invention, inserted into the gaps between adjacent screw elements in horizontal rows vertical screw elements, and the gap between all horizontally located screw elements is equal to the outer diameter of the inserted rtikalnyh screw elements.

Величина наружного диаметра вставленных вертикальных винтовых элементов находится в соотношении 0,32-0,98 к величине наружного диаметра горизонтальных элементов, а зазор между последними также находится в этих пределах.The outer diameter of the inserted vertical screw elements is in the ratio of 0.32-0.98 to the outer diameter of the horizontal elements, and the gap between the latter is also within these limits.

На фиг.1 изображен в изометрии фрагмент блока регулярной структурированной насадки, образованный тремя взаимно перпендикулярными рядами четырехзаходных винтовых элементов 1, 2 и 3, скрепленных между собой полимерной лентой 4 методом точечной сварки по торцам винтов 5. Сами винтовые элементы 1, 2 и 3 изготовляют методом экструзии из полимерного материала, например полиэтилена низкой плотности, высокого давления. Винтовые элементы на фиг.1 условно показаны в виде цилиндров.Figure 1 shows an isometric fragment of a block of a regular structured nozzle formed by three mutually perpendicular rows of four-way screw elements 1, 2 and 3, fastened together by a polymer tape 4 by the method of spot welding along the ends of screws 5. The screw elements 1, 2 and 3 themselves are made by extrusion from a polymeric material, for example, low density polyethylene, high pressure. The screw elements in figure 1 are conventionally shown in the form of cylinders.

На фиг.2 показан четырехзаходный винтовой элемент 1, 2 или 3, располагаемый в блоке насадки соответственно в горизонтальной либо в вертикальной плоскости в соответствии с компоновкой блока, представленной на фиг.1.Figure 2 shows a four-way screw element 1, 2 or 3, located in the nozzle block, respectively, in a horizontal or vertical plane in accordance with the layout of the block shown in figure 1.

На фиг.3 представлена в виде кривой 6 зависимость потери напора ΔР/Н от скорости газового потока W_o в расчете на полное сечение пустого аппарата.3 shows a curve 6 dependent loss? P / H head speed of gas flow in W _o, based on the total cross section of the empty device.

Регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов выполнена в виде блока размещенных ярусами горизонтальных рядов многозаходных винтовых элементов 1 и 2, расположенных в каждом ряду с постоянным зазором относительно друг друга, причем в зазоры между соседними винтовыми элементами 1 и 2 в горизонтальных рядах вставлены вертикальные винтовые элементы 3, а величина зазора между всеми горизонтально расположенными винтовыми элементами 1 и 2 равна наружному диаметру вставленных вертикальных винтовых элементов. При этом совокупность всех винтовых элементов 1, 2 и 3 регулярной насадки образует во всем объеме блока насадки трехмерную квазиизотропную структуру. Каналы насадки имеют сложную геометрическую форму, способствующую интенсивному перемешиванию и турбулизации контактирующих потоков газа и жидкости.A regular structured nozzle for heat and mass transfer apparatus is made in the form of a block of horizontal rows of multi-threading screw elements 1 and 2 arranged in tiers, located in each row with a constant gap relative to each other, and vertical gaps are inserted in the gaps between adjacent screw elements 1 and 2 in horizontal rows screw elements 3, and the gap between all horizontally located screw elements 1 and 2 is equal to the outer diameter of the inserted vertical screw elements. Moreover, the set of all screw elements 1, 2 and 3 of the regular nozzle forms a three-dimensional quasi-isotropic structure in the entire volume of the nozzle block. The nozzle channels have a complex geometric shape that facilitates intensive mixing and turbulization of the contacting flows of gas and liquid.

Компоновка насадки выполнена так, что величина наружного диаметра вставленных вертикальных винтовых элементов 3 находится в соотношении 0,32-0,98 по отношению к величине наружного диаметра горизонтальных элементов 1 и 2, а зазор между последними также находится в этих пределах.The nozzle arrangement is such that the outer diameter of the inserted vertical screw elements 3 is in a ratio of 0.32-0.98 with respect to the outer diameter of the horizontal elements 1 and 2, and the gap between the latter is also within these limits.

При этом выполнение наружного диаметра вставляемых вертикальных элементов в соотношении менее 0,32 по отношению к величине диаметра горизонтальных винтовых элементов приводит к неоправданному росту гидравлического сопротивления насадки. При увеличении величины диаметра вертикальных винтовых элементов к горизонтальным выше 0,98 приводит к существенному нарушению свойств изотропности блока насадки.Moreover, the implementation of the outer diameter of the inserted vertical elements in a ratio of less than 0.32 with respect to the diameter of the horizontal screw elements leads to an unjustified increase in the hydraulic resistance of the nozzle. With increasing diameter of the vertical screw elements to horizontal above 0.98, it leads to a significant violation of the isotropic properties of the nozzle block.

Регулярная структурированная насадка работает следующим образом. Жидкая фаза подается на верхнюю часть блока, собранного из винтовых элементов 1, 2 и 3, и стекает по их поверхности в виде тонкой пленки и капель, контактируя с восходящими по свободным каналам сложной геометрической формы, образованным взаиморасположением горизонтальных 1, 2 и вертикальных винтовых элементов 3 потоками газа, таким образом, массообмен между жидкостью и газом происходит в пленочно-капельном режиме. Расположение винтовых элементов в 3-х взаимно перпендикулярных плоскостях обеспечивает оптимальное - изотропное геометрическое строение структуры насадки и тем самым более полное использование всего рабочего объема насадки вследствие увеличенного пути прохождения жидкости и ее эффективного перераспределения во всем объеме блока насадки, увеличение турбулизации газовой и жидкой фаз и необходимую интенсификацию процессов тепло- и массообмена.A regular structured nozzle works as follows. The liquid phase is fed to the upper part of the block, assembled from screw elements 1, 2 and 3, and flows down their surface in the form of a thin film and droplets, in contact with ascending along free channels of complex geometric shape formed by the relative positions of horizontal 1, 2 and vertical screw elements 3 by gas flows, thus, the mass transfer between the liquid and the gas occurs in a film-drop mode. The location of the screw elements in 3 mutually perpendicular planes provides an optimal isotropic geometric structure of the nozzle structure and thereby more complete use of the entire working volume of the nozzle due to the increased path of the fluid and its effective redistribution in the entire volume of the nozzle block, an increase in turbulization of the gas and liquid phases and necessary intensification of heat and mass transfer processes.

Выполнение блока насадки из элементов, представляющих собой тела вращения, которые выполнены в виде многозаходных винтов, способствует закручиванию жидкостного и газового потоков и, тем самым, турбулизации потоков. Минимальное число заходов многозаходного винта 2, а максимальное ограничено уменьшением площади свободных каналов для прохода газа в блоке и составляет 5 и объясняется условиями технологии изготовления.The execution of the nozzle block from elements representing bodies of revolution, which are made in the form of multi-screw, helps to twist the liquid and gas flows and, thereby, turbulization of the flows. The minimum number of multi-screw rotations is 2, and the maximum is limited by reducing the area of free channels for gas passage in the block and is 5 and is explained by the conditions of the manufacturing technology.

Расположение элементов, представляющих собой многозаходные винты в блоке с горизонтальным и вертикальным зазором относительно друг друга, обусловлено необходимостью создания квазиизотропной структуры. Размер шага, на расстоянии которого соседние горизонтальные элементы располагаются друг от друга, должен быть в пределах от 0,32 до 0,98 диаметра вертикальных элементов, что обеспечивает оптимальные условия для формирования квазиизотропной структуры блока насадки, а также условия для интенсивного осуществления процессов тепло- и массообмена.The location of the elements, which are multi-start screws in a block with horizontal and vertical clearance relative to each other, is due to the need to create a quasi-isotropic structure. The step size at which the adjacent horizontal elements are spaced from each other should be in the range from 0.32 to 0.98 of the diameter of the vertical elements, which provides optimal conditions for the formation of a quasi-isotropic structure of the nozzle block, as well as conditions for the intensive implementation of heat and mass transfer.

Предлагаемая регулярная структурированная насадка позволяет повысить эффективность тепло- и массообмена на 16-28% в процессах абсорбции, ректификации, очистки, осушки газов, охлаждении жидкостей и т.п., проста в изготовлении и может быть использована при реконструкции и замене известных регулярных насадок, собранных, например, из гофрированных листов, согласно изобретению путем монтажа блоков предлагаемой регулярной структурированной трехмерной насадки из винтовых элементов, позволяющих интенсифицировать процессы тепло- и массообмена за счет турбулизации газовых потоков, перераспределения потоков газа и жидкости, а также за счет организации квазиизотропной пространственной структуры. Механическая прочность блока насадки при этом возрастет.The proposed regular structured nozzle allows to increase the efficiency of heat and mass transfer by 16-28% in the processes of absorption, rectification, purification, drying of gases, cooling liquids, etc., is easy to manufacture and can be used in the reconstruction and replacement of known regular nozzles, assembled, for example, from corrugated sheets, according to the invention by mounting blocks of the proposed regular structured three-dimensional nozzle of screw elements, allowing to intensify the processes of heat and mass transfer and expense of turbulence gas flow, the redistribution of gas and liquid flows as well as by arranging quasi-isotropic spatial structure. The mechanical strength of the nozzle block will increase.

Claims

1. A regular structured nozzle for heat and mass transfer apparatus, comprising a block of horizontal rows of multi-start screw elements arranged in tiers located in each row with a constant gap relative to each other, characterized in that vertical screw elements are inserted into the gaps between adjacent screw elements in horizontal rows , and the gap between all horizontally located screw elements is equal to the outer diameter of the inserted vertical screw elements.

2. The regular structured nozzle according to claim 1, characterized in that the outer diameter of the inserted vertical screw elements is in the ratio of 0.32-0.98 to the outer diameter of the horizontal screw elements, and the gap between the latter is also within these limits.