Насадка для тепло-массообменных процессов

Техническое решение относится к контактным устройствам массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, энергетической, атомной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод, дымовых газов и вентиляционных выбросов в процессах абсорбции и ректификации. Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки является увеличение производительности за счет увеличения поверхности и интенсивности тепло- и массообменных процессов между жидкой и газовой фазами. Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для тепло-массообменных процессов, выполненной в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого и жестко соединенных между собой в верхней части, причем наружное тело вращения выполнено в виде спирали, а внутреннее тело вращение расположено на расстоянии от наружного, при этом спираль наружного тела вращения образована витой проволочной пружиной, а внутреннее тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, при этом отношение высоты полого цилиндра к его диаметру определяется из выражения

,

где h - высота полого цилиндра, м; d - диаметр полого цилиндра, м; - толщина стенки полого цилиндра, м; c - скорость звука в газе, м/с; - плотность материала, из которого выполнен полый цилиндр, кг/м³; - жесткость витой проволочной пружины, Н/м.

Предлагаемое техническое решение относится к контактным устройствам массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, энергетической, атомной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод, дымовых газов и вентиляционных выбросов в процессах абсорбции и ректификации.

Известна конструкция насадки в скруббере с подвижной насадкой, виде цилиндрических колец, выполненных из упругих материалов, при этом внутри каждого кольца насадки дополнительно установлены распорки в виде крестовины с различной длиной взаимно перпендикулярных плеч, так что длинное плечо каждой крестовины в два раза больше короткого плеча, а отношение длинного плеча крестовины к внутреннему диаметру кольца насадки определяется соотношением:

L/d=1,35÷4,55,

где L и d - соответственно длина длинного плеча крестовины насадки и внутреннего диаметра кольца [Патент на полезную модель 107963 РФ, B01D 53/18, 2011].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая площадь поверхности каждого кольца насадки, что снижает производительность тепло- и массообменных процессов между жидкостью и газом.

Известны спиральные металлические насадки, изготовленные из проволоки, свернутой в виде цилиндрической спирали [Насадки для массообменных колонн. Под общей редакцией Д.А. Баранова. - М. Инфохим, 2009, с. 165-167].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая поверхность массопереноса и интенсивность процесса массопередачи между жидкостью и газом, что уменьшает в целом производительность тепло- и массообменных процессов.

Известна насадка для массообменных аппаратов, выполненная в виде проволочной спирали, каждый виток которой повернут относительно соседнего витка на некоторый угол, при этом витки спирали выполнены в виде эллипса с отношением большой его оси к малой, равным 1,75-2,5 [Авт. Св. СССР 967533, B01D 53/20, 1982].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная поверхность боковой поверхности проволоки, из которой изготовлены витки спирали, и малая скорость тепло- и массопереноса между жидкой и газовой фазами, что приводит к снижению производительности тепло- и массообменного аппарата.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятым за прототип является насадка для тепло- и массообменных процессов выполненная в виде расположенных одно внутри другого двух тел вращения из спиральной полосы, имеющих идентичную форму, причем внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного тела вращения и оба тела вращения выполнены в виде коаксиальных цилиндрических поверхностей [Авт. Св. СССР 701675, B01D 53/20, 1979].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная поверхность обоих тел вращения, на которых происходят тепло- и массообменные процессы, а также невысокая интенсивность этих процессов, что уменьшает производительность тепло- и массообмена в целом.

Техническим результатом предлагаемой конструкции насадки является увеличение производительности за счет увеличения поверхности и интенсивности тепло- и массообменных процессов между жидкой и газовой фазами.

Поставленный технический результат достигается тем, что в насадке для тепло-массообменных процессов, выполненной в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого и жестко соединенных между собой в верхней части, причем наружное тело вращения выполнено в виде спирали, а внутреннее тело вращение расположено на расстоянии от наружного, при этом спираль наружного тела вращения образована витой проволочной пружиной, а внутреннее тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, при этом отношение высоты полого цилиндра к его диаметру определяется из выражения

где h - высота полого цилиндра, м; d - диаметр полого цилиндра, м; - толщина стенки полого цилиндра, м; с - скорость звука в газе, м/с; - плотность материала, из которого выполнен полый цилиндр, кг/м³; - жесткость витой проволочной пружины, Н/м.

Выполнение внутреннего тела вращения в виде полого цилиндра увеличивает поверхность контакта жидкой и газовой фазы на величину внешней и внутренней боковой поверхности этого цилиндра, что повышает производительность массообменного аппарата.

Использование витой проволочной пружины в сочетании с полым цилиндром образует пружинный маятник, который выполняет колебательные движения с высокой амплитудой.

Соосная установка двух тел вращения одного внутри другого с жестким соединением между собой в верхней части позволяет равномерно распределять газовый и жидкий потоки вдоль боковых стенок наружного тела вращения и внутренней и внешней боковых поверхностей внутреннего тела вращения, что предотвращает образование застойных зон, выравнивает скорости газового и жидкого потоков и увеличивает производительность за счет снижения гидравлического сопротивления.

Выполнение отношения высоты полого цилиндра к его диаметру, исходя из выражения (1), позволяет обеспечить режим резонансных колебаний газового потока внутри внутреннего тела вращения и собственных колебаний пружинного маятника, образованного наружным телом вращения с массой внутреннего тела вращения.

Известно, что в полом цилиндре частота собственных колебаний газа описывается уравнением

где c - скорость звука в газе, м/с; h - высота полого цилиндра, м; [В.М. Яворский, А.А. Детлаф / Справочник по физике. Для инженеров и студентов вузов. Государственное издательство физико-математической литературы. - М.: 1963, С. 510.],

а частота колебаний пружинного маятника:

где - жесткость витой проволочной пружины, Н/м.

m - масса внутреннего тела вращения полого цилиндра, кг.

[В.М. Яворский, А.А. Детлаф / Справочник по физике. Для инженеров и студентов вузов. Государственное издательство физико-математической литературы. - М.: 1963, С. 102.]

Так как масса пружинного маятника, роль которой выполняет в предлагаемой конструкции насадки полый цилиндр, равна:

где - плотность материала, из которого изготовлен полый цилиндр, кг/м³; d, h, - соответственно диаметр, высота и толщина стенки полого цилиндра, то решая совместно уравнения (2), (3) и (4) получаем искомое выражение (1) для отношения высоты полого цилиндра к его диаметру.

Режим резонансных колебаний газового потока внутри полого цилиндра и пружинного маятника, образованного витой проволочной пружиной и массой полого цилиндра, обеспечивает высокую амплитуду и частоту вибрации внутренней и внешней боковых поверхностей полого цилиндра. Эти интенсивные колебания передаются поверхности контакта жидкости и газа, на которой происходят тепло- и массообменные процессы, что увеличивает скорость массопередачи между жидкостью и газом и способствует возрастанию производительности.

На чертеже представлен общий вид насадки для тепло- массообменных процессов в разрезе.

Насадка для тепло- массообменных процессов состоит из соосно установленных одно внутри другого наружного тела вращения, образованного витой проволочной пружиной 1 и внутреннего тела вращения, выполненного в виде полого цилиндра 2. Наружное тело вращения и внутреннее тело вращения жестко соединены между собой в верхней части с помощью неразъемного, например, заклепки (показана на чертеже, сварки, пайки или разъемного (например, винта с гайкой) соединения 3.

Насадка для тепло- массообменных процессов работает следующим образом.

Насадку для тепло- массообменных процессов укладывают упорядочение вертикально в ряды в массообменном аппарате. Так как высота h полого цилиндра 2 меньше высоты H витой проволочной пружины 1, то последние устанавливаются в вертикальные ряды без перекоса.

Сверху на насадку подают поток жидкости, а снизу газовый поток. Оба потока - жидкий и газовый на поверхностях витой проволочной спирали 1 и боковых внутренней и внешней поверхностях полого цилиндра 2 взаимодействуют друг с другом с образованием поверхностей раздела фаз, на которых идут тепло- и массообменные процессы.

Так как в предлагаемой конструкции насадки полый цилиндр 2 образует дополнительные боковые внутреннюю и внешнюю поверхности, то поверхности разделе фаз, на которых идут тепло- и массообмен, увеличиваются на величину этих поверхностей.

Они тем больше, чем больше диаметр d полого цилиндра приближается к внутреннему диаметру D витой проволочной спирали 1, но боковая внешняя поверхность полого цилиндра 2 не должна касаться внутренних поверхностей витков проволочной спирали 1, чтобы полый цилиндр 2 имел возможность свободно колебаться внутри витой проволочной спирали 1.

Резонансный автоколебательный процесс полого цилиндра 2 внутри витой проволочной спирали 1 обеспечивается отношением высоты h и диаметра d полого цилиндра 2, определяемыми из выражения (1). При этом частота собственных колебаний газа внутри полого цилиндра (2) совпадает с частотой колебаний витков проволочной спирали 1 с подвешенной на ней массой полого цилиндра 2.

Пример. Определение размеров насадки в абсорбере, предназначенного для очистки воздуха при давлении 1 атм.

Скорость звука в воздухе при одной атмосфере c=330 м/с; жесткость витой проволочной спирали 1 из стали =2·10⁶ Н/м.

Плотность капрона - материала, из которого выполнен полый цилиндр 2, =1100 кг/м³.

Толщина капроновой стенки полого цилиндра 2 =10^-3 м.

Согласно выражению (1) отношение высоты полого цилиндра 2 к его диаметру должно быть равно:

.

Тогда при диаметре полого цилиндра 2 d=0,05 м его высота должна быть равна:

h=0,092 м.

Согласно уравнению (2) собственная частота колебаний воздуха внутри полого цилиндра 2:

1780 Гц,

а частота колебаний пружинного маятника, образованного витой проволочной пружиной 1 с подвешенной на ней массой полого цилиндра 2 при массе этого цилиндра:

m=··d·h·=0,0161 кг

составит согласно формуле (3):

=1780 Гц.

Площадь внешней и внутренней поверхностей полого цилиндра 2:

S₂=2·d·h=289 см².

Площадь поверхности витков проволочной пружины 1, выполненной из стальной проволоки диаметром d_п=3 мм с зазором между витками, равном _п=d_п=3 мм и диаметре витков D=6 см, составляет

S₁=l·d=319,5 см².

где n - число витков проволочной пружины 1 на высоте H=110 мм

,

а l=·D·n=340 см - длина витков проволочной пружины 1.

То есть, установка внутри витой проволочной пружины 1 полого цилиндра 2 позволяет увеличить поверхности насадки в тепло- и массообменных процессах в 1,9 раза.

Таким образом, применение соосно установленных одно внутри другого и жестко соединенных между собой в верхней части наружного тела вращения, выполненного в виде полого цилиндра, отношение высоты к диаметру которого определяется из выражения (1), позволяет вести процессы тепло- и массопередачи в режиме резонансных колебаний газового потока в полом цилиндре 2 с собственными колебаниями пружинного маятника, образованного витой проволочной пружиной 1 с массой полого цилиндра 2, что позволяет увеличить интенсивность тепло- и массообменных процессов на границе раздела жидкости и газа, а в совокупности с увеличением поверхности насадки за счет боковой поверхности полого цилиндра 2 увеличить производительность процессов тепло- и массообмена.

Насадка для тепломассообменных процессов, выполненная в виде двух тел вращения цилиндрической формы, соосно установленных одно внутри другого и жестко соединенных между собой в верхней части, причем наружное тело вращения выполнено в виде спирали, а внутреннее тело вращения расположено на расстоянии от наружного, отличающаяся тем, что спираль наружного тела вращения образована витой проволочной пружиной, а внутреннее тело вращения выполнено в виде полого цилиндра, при этом отношение высоты полого цилиндра к его диаметру определяется из выражения

где h - высота полого цилиндра, м; d - диаметр полого цилиндра, м; - толщина стенки полого цилиндра, м; с - скорость звука в газе, м/с; - плотность материала, из которого выполнен полый цилиндр, кг/м³; - жесткость витой проволочной пружины, Н/м.