Насадка для массообменного аппарата

Предлагаемая конструкция относится к насадке для массообменных аппаратов и может быть использована в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности процесса тепло- и массопередачи за счет развитой поверхности открытых капилляров в полимерном материале насадки.

Технический результат достигается тем, что насадка для массообменного аппарата, выполненная в виде отрезков перфорированной трубы с размещенным внутри полимерным материалом, причем в качестве полимерного материала, имеющего форму полых цилиндров, используют поропласт или губчатую резину, при этом высота полых цилиндров равна высоте отрезков трубы, а их наружный диаметр равен внутреннему диаметру отрезков трубы, внутренний диаметр определяется соотношением d_B=(0,65÷0,75)d _H, где d_H - наружный диаметр полых цилиндров.

Предлагаемая конструкция относится к насадке для массообменных аппаратов и может быть использована в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов.

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

К недостаткам данной конструкции относится низкая производительность из-за неравномерности распределения материала и гидравлического сопротивления по ее объему, что приводит к неодинаковому времени пребывания очищаемой среды в насадке, снижению расходов жидкости и газа, что, в свою очередь, приводит к уменьшению интенсивности тепло- и массопередачи.

Известна 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, причем стержень установлен осесимметрично с аппаратом и имеет возможность осевого перемещения, нижний торец стержня жестко соединен с верхним перфорированным диском, а верхний торец - с механизмом осевого перемещения (патент РФ 117310, МПК F28D 45/00, 27.06.2012 г.).

К недостаткам данной конструкции относится недостаточная степень очистки жидкостей и газов от молекул извлекаемых компонентов из-за неодинакового распределения насадки по объему и сечению аппарата, что приводит к увеличению пористости и уменьшению поверхности насадки вблизи стенок с образованием пристенного эффекта, вызывающего перемещение жидкости к стенке аппарата, а газа к его оси, что, в свою очередь, приводит к снижению интенсивности тепло- и массопередачи. Кроме того, к недостаткам конструкции относится потеря давления в сальниковом уплотнении при регулировании высоты насадки без остановки аппарата.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является элемент подвижной насадки для массообменного аппарата, выполненный в виде отрезка трубы, при этом с целью повышения срока службы насадки и предотвращения ее затопления, внутреннее пространство отрезка трубы заполнено пенопластом (авторское свидетельство СССР 431896, МПК B01J 19/30, 15.06.1974 г.).

Недостатком данной насадки является то, что ее внутреннее пространство заполнено пенопластом, что приводит к значительному сокращению удельной поверхности насадки и повышению ее гидравлического сопротивления слоя насадки в тепло- и массообменном аппарате, что, в свою очередь, приводит к увеличению пристенного эффекта (когда газовая фаза оттесняет жидкую фазу, находящуюся внутри слоя насадки к стенке аппарата из-за создаваемого насадкой гидравлического сопротивления, что приводит к уменьшению поверхности контакта фаз). Эти обстоятельства способствуют значительному снижению интенсивности тепло- и массопередачи.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности процесса тепло- и массопередачи за счет развитой поверхности открытых капилляров в полимерном материале насадки.

Технический результат достигается тем, что насадка для массообменного аппарата, выполненная в виде отрезков перфорированной трубы с размещенным внутри полимерным материалом, причем в качестве полимерного материала, имеющего форму полых цилиндров, используют поропласт или губчатую резину, при этом высота полых цилиндров равна высоте отрезков трубы, а их наружный диаметр равен внутреннему диаметру отрезков трубы, внутренний диаметр определяется соотношением d_B=(0,65÷0,75)d _H, где d_H - наружный диаметр полых цилиндров.

Использование в элементах насадки поропласта или губчатой резины с газо- и водопроницаемыми порами (капиллярами), позволяет протекать процессу тепло- и массопередачи не только на поверхности элементов насадки, но и внутри капилляров полимерного материала. Кроме того, общая пористость насадки с использованием поропласта или губчатой резины снижается всего на 4-7%, а удельная поверхность возрастает на несколько порядков. Эти обстоятельства приводят к многократному увеличению поверхности тепло- и массопередачи.

Использование полимерного материала, имеющего форму полых цилиндров, высота которых равна высоте отрезков трубы, а их наружный диаметр равен внутреннему диаметру отрезков трубы, а внутренний диаметр определяется соотношением d_B=(0,65÷0,75)d _H, где d_H - наружный диаметр полых цилиндров, приводит к увеличению шероховатости внутренней поверхности полых цилиндров из-за рассечения находящихся на ней капилляров. Кроме того, это позволяет создавать внутри элементов насадки сепарационное пространство для прохождения газовой и жидкой фаз, что уменьшает гидравлическое сопротивление насадки и приводит к снижению пристенного эффекта. Увеличение заявленного соотношения приведет к значительному сокращению объема полимерного материала насадки и, соответственно, к резкому уменьшению числа капилляров, что, в свою очередь, приведет к значительному снижению удельной поверхности насадки, а, стало быть, к снижению интенсивности тепло- и массопередачи. Уменьшение заявленного соотношения приведет к резкому возрастанию гидравлического сопротивления и пристенного эффекта, что, в свою очередь, приведет к снижению интенсивности тепло- и массопередачи.

Трубки элементов насадки могут быть изготовлены из любого материала, обладающего необходимым комплексом свойств для эксплуатации в конкретных условиях. Использование перфорации в трубках элементов насадки приводит к частичному открытию капилляров с внешней стороны полых цилиндров полимерного материала, что приводит к увеличению проницаемости элементов насадки в радиальном направлении, что, в свою очередь, приводит к уменьшению гидравлического сопротивления и снижению пристенного эффекта. Диаметр отверстий перфорации и их количество в одном элементе насадки может сильно варьироваться и зависит от конкретных эксплуатационных условий.

На фиг. показана схема одного элемента насадки для массообменного аппарата. Она состоит из отрезков трубы 1 с отверстиями 2 перфорации и полых цилиндров 3, изготовленных из поропласта или губчатой резины, содержащих открытые капилляры 4.

Насадка для массообменного аппарата работает следующим образом. Элементы насадки засыпаются внавал или укладываются упорядоченно внутрь массообменного аппарата. При этом отрезки трубы 1 насадки защищают полые цилиндры 3 от деформирования. При осуществлении в насадочных аппаратах тепло- и массообменных процессов идущих без нагревания и кипения, например изотермической и неизотермической абсорбции, пузырьки газа, находящегося под давлением, барботируют через слой жидкости, задерживаемой насадкой. При этом за счет развитой поверхности капилляров 4 в полых цилиндрах 3 количество пузырьков многократно увеличивается, что, в свою очередь, приводит к многократному увеличению поверхности контакта фаз в насадке и увеличению интенсивности тепло- и массопередачи. При осуществлении в насадочных аппаратах тепло- и массообменных процессов идущих с использованием нагревания и кипения жидкостей, например экстракции и ректификации, в объеме насадки происходит пузырьковое кипение жидкости, а процесс тепло- и массопереноса осуществляется при «пробулькивании» пузырьков пара через жидкость. При этом в капиллярах 4 полых цилиндров 3 также будет происходить капиллярное кипение жидкости, что приведет к возрастанию количества пузырьков пара, а размер их сдвинется в меньшую сторону. В этом случае поверхность контакта фаз многократно возрастет, что приведет к значительному увеличению интенсивности тепло- и массопередачи. Отверстия 2 перфорации отрезков трубы 1 при этом приводят к уменьшению гидравлического сопротивления насадки и повышают ее проницаемость в радиальном направлении, что уменьшает пристенный эффект.

Таким образом, предлагаемая насадка для массообменного аппарата позволяет увеличить интенсивность процесса тепло- и массопередачи за счет развитой поверхности открытых капилляров в полимерном материале насадки.

Насадка для массообменного аппарата, выполненная в виде отрезков перфорированной трубы с размещенным внутри полимерным материалом, отличающаяся тем, что в качестве полимерного материала, имеющего форму полых цилиндров, используют поропласт или губчатую резину, при этом высота полых цилиндров равна высоте отрезков трубы, а их наружный диаметр равен внутреннему диаметру отрезков трубы, внутренний диаметр определяется соотношением d_B=(0,65÷0,75)d _H, где d_H - наружный диаметр полых цилиндров.