Массообменный аппарат
Предлагаемое техническое решение относится к области тепло- и массообмена между жидкостью и газом и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, а также в процессах очистки жидкостей и газов.
Технический результат достигается тем, что в массообменном аппарате, содержащем корпус, перфорированные тарелки с упорными пластинами, имеющие возможность вертикального перемещения, кольцевые желоба, на которых соосно с упорными пластинами, установлены опорные пластины, а между опорными и упорными пластинами установлены пружины, для создания переменной жесткости витки пружины выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом, причем крайние значения жесткости пружин определяются выражением:
где к - жесткость пружины, Н/м; c - скорость звука в газе (паре), м/с; H - расстояние между перфорированными тарелками, м; m - воздействующая на пружины минимальная или максимальная масса, кг; n - число пружин на каждой тарелке.
Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменного аппарата является увеличение производительности за счет создания резонансного режима колебаний тарелок.
Предлагаемое техническое решение относится к области тепло- и массообмена между жидкостью и газом (паром) и может найти применение в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической, топливной, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод, дымовых газов и вентиляционных выбросов.
Известна конструкция колонны, содержащая корпус, внутри которого установлена штанга, имеющая возможность перемещаться вдоль вертикальной оси аппарата. На штанге жестко закреплены перфорированные диски насадки, а на верхней крышке колонны установлен приводной механизм и электродвигатель, от которых через штангу к дискам насадки передается возвратно-поступательные колебания, способствующие дроблению дисперсной фазы и перемешиванию обеих фаз (Вибрационные массообменные аппараты / Городецкий И.Я., Васин А.А., Олевский В.В., Лупанов П.
. - M.: Химия, 1980 г., с. 14-15).
К причинам препятствующим достижению заданного технического результата относится невысокая интенсивность колебаний, которая не позволяет обеспечить высокую скорость тепло- и массообмена между жидкостью и газом (паром), что снижает производительность колонны.
Известны конструкции вибрационных и массообменных аппаратов, содержащих корпус, систему тарелок с отверстиями, которые прикрепляются к штанге, получающей вертикально направленные колебания от вибровозбудителя (Варсанофьев В.Д., Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. - М.: Химия, 1985 г., с. 214-215).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность создания колебаний с высокой амплитудой и частотой из-за большой массы системы тарелок с жидкой фазой, что снижает скорость тепло- и массообмена между жидкостью и газом (паром) и соответственно приводит к снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением но совокупности признаков к заявляемому объекту и выбранному за прототип является массообменный аппарат, содержащий корпус, перфорированные диски насадки, имеющие возможность вертикального перемещения и выполненные в виде тарелок с переливными патрубками, кольцевые желоба жестко закреплены на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, и кольца, закрепленные по краям тарелок по окружности с диаметром, равным среднему диаметру желоба, при этом на желобах равномерно по окружности установлены опорные пластины, на тарелках соосно с опорными пластинами установлены упорные пластины, причем между опорными и упорными пластинами установлены цилиндрические пружины (пат. Ru 88279, МПК B01D 3/20, B01D 3/32, 2009 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится малая частота и амплитуда колебаний из-за небольшой внешней возбуждающей силы, возникающей на тарелках с переливными трубками, от потока газа (пара), проходящего через перфорированные тарелки насадки, и потока жидкости, вытекающего на тарелки из переливных патрубков.
Это уменьшает скорость тепло- и массопередачи между жидкой и газовой (паровой) фазами и в целом снижает производительность массообменного аппарата.
Задачей полезной модели является конструкция массообменного аппарата, обеспечивающего высокую амплитуду колебания тарелок.
Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменного аппарата является увеличение производительности за счет создания резонансного режима колебаний тарелок.
Поставленный технический результат достигается тем, что в массообменном аппарате, содержащем корпус, перфорированные тарелки с переливными патрубками и упорными пластинами, имеющими возможность вертикального перемещения, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, на которых равномерно по окружности, соосно с упорными пластинами, установлены опорные пластины, причем на краях тарелок по окружности закреплены кольца, диаметром равным среднему диаметру желоба, а между опорными и упорными пластинами установлены пружины, отличающийся тем, что для создания переменной жесткости витки пружины выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом, причем крайние значения жесткости пружин определяются выражением:
где k - жесткость пружины, Н/м; c - скорость звука в газе (паре), м/с; H - расстояние между перфорированными тарелками, м; m - воздействующая на пружины минимальная или максимальная масса, кг; n - число пружин на каждой тарелке.
Установка между опорными и упорными пластинами пружин, витки которых выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом, позволяет обеспечивать режим резонансных колебаний перфорированных тарелок с переливными патрубками при любой массе жидкости на каждой тарелке, что увеличивает амплитуду колебаний, скорость тепло- и массообменных процессов, а значит и производительность массообменного аппарата (В.М. Рамм. Абсорбция газов. Изд. второе, перераб. и доп. - М: Химия, 1976, с. 99; А.С. Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. Том 2. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002, с. 904-909).
Минимальное значение жесткости пружины переменной жесткости, определяется согласно выражения (1) и соответствует массе, воздействующей на пружины перфорированной тарелки с переливным патрубком без жидкости. При этом обеспечиваются резонансные колебания с большой амплитудой практически сухой тарелки, что предотвращает застывание остатков жидкости, ее деструкцию с образованием отложений в отверстиях или пленкообразование на самой тарелке с закупориванием этих отверстий. Таким образом отпадает необходимость дополнительной очистки этих отверстий при остановке, ремонте и пуске массообменного аппарата с выводом на рабочий режим работы, что увеличивает производительность.
Максимальное значение жесткости пружины переменной жесткости определяется согласно выражения (1) и соответствует воздействующей на пружины массе перфорированной тарелки с переливным патрубком и с наибольшей возможной при работе массой жидкости на ней. Это обеспечивает резонансные колебания с большой амплитудой при максимальной загрузке тарелки.
Число n установленных между опорными и упорными пластинами пружин с переменной жесткостью в формуле (1) учитывает долю массы перфорированной тарелки с переливным патрубком и находящейся на ней жидкости, приходящуюся на одну пружину с переменной жесткостью, что позволяет каждой пружине совершать резонансные колебания с потоком газа (пара) и обеспечивать высокую амплитуду колебаний, скорость тепло- и массопереноса между жидкостью и газом (паром) и увеличить производительность массообменного аппарата.
Таким образом, установка между опорными и упорными пластинами пружин переменной жесткости, достигаемой за счет выполнения витков пружины в виде конической спирали с постоянным шагом, крайние значения которой определяются выражением (1), позволяет вести тепло-массообменный процесс в режиме резонансных колебаний этих пружин с газовой (паровой) фазой, что увеличивает производительность массообменного аппарата.
Частота колебаний пружинного маятника с учетом числа пружин
а частота колебаний столба газа между тарелками в аппарате
(Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. Для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963, с. 102 и с. 510).
Приравнивая правые части уравнений (2) и (3) получаем после алгебраических преобразований выражение (1), соответствующее крайним значениям переменной жесткости пружин.
Пружины переменной жесткости известны и широко применяются в промышленности, в частности в подвесках автомобилей (http:wiki.zr.ru/Упругие элементы. Электронный ресурс: За рулем).
На фиг. 1 представлен фрагмент массообменного аппарата предлагаемой конструкции, на фиг. 2 - вид А на установленную пружину переменной жесткости между упорной и опорной пластинами.
Массообменный аппарат содержит корпус 1, перфорированные тарелки 2 с переливными патрубками 3 и отверстиями 4. В местах установки тарелок 2 внутри корпуса 1 жестко закреплены кольцевые желоба 5 с внутренним диаметром Dв меньшим диаметра Dа корпуса 1. На каждом желобе 5 равномерно по окружности установлены опорные пластины 6. Соосно с опорными пластинами на каждой тарелке 2 установлены упорные пластины 7. Между опорными пластинами 6 и упорными пластинами 7 установлены пружины 8, витки которых выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом, при этом минимальная и максимальная жесткость пружины 8 определяется выражением (1). На краях каждой тарелки 2 по окружности закреплены кольца 9 диаметром Dк равным среднему диаметру желоба 5, то есть
.
с зазором относительно дна желоба. Такая свободная установка кольца 9 внутри желоба 5 позволяет совершать колебания каждой тарелки 2 в вертикальном и частично горизонтальном направлениях.
Массообменный аппарат работает следующим образом. Внутрь корпуса сверху вниз подают жидкость. Частично через отверстия 4 жидкость заполняет кольцевые желоба 5 с образованием гидрозатвора в зазорах между желобами 5 и нижними частями колец 9. Газ (пар) поднимается снизу вверх через отверстия 4, а жидкость движется вдоль тарелок 2 и стекает по переливным патрубкам 3 с верхнележащих на нижележащие тарелки 2. Под действием струи жидкости, стекающей по переливному патрубку 3, каждая тарелка 2, установленная на пружинах 8 с переменной жесткостью, совершает вынужденные вертикальные и частично горизонтальные колебания, что интенсифицирует процесс массопереноса между взаимодействующими газом и жидкостью. Этому могут способствовать и пузырьки газа (пара), барботирующие через отверстия 4 в тарелках 2.
Кроме вынужденных низкочастотных макроколебаний тарелок под действием струи жидкости, стекающей по переливному патрубку 3 с верхнележащих на нижележащие тарелки 2 и пузырьков газа (пара), барботирующих через отверстия 4 в тарелках 2, тарелки 2 с переливными патрубками 3 и жидкостью на тарелках 2, совершают резонансные колебания с высокой амплитудой, так как минимальные и максимальные (крайние) значения жесткости пружин определяются выражением (1) и соответствуют минимальному и максимальному воздействию на пружины. При этом при воздействии промежуточных значений масс так же происходят резонансные колебания с высокой амплитудой. Следовательно, при любом воздействии (от m=min до m=max) масс на каждой тарелке обеспечиваются резонансные колебания с большой амплитудой, что позволяет интенсифицировать процесс массопереноса между жидкостью и газом и увеличивает производительность массообменного аппарата.
Пример. В массообменном аппарате, в котором идет процесс абсорбции из воздуха жидким абсорбентом паров растворителя, необходимо установить пружины, витки которых выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом для обеспечения резонансных колебаний тарелок с воздухом.
Скорость звука в воздухе c=330 м/с; расстояние между тарелками H=0,5 м; масса перфорированной тарелки 2 с переливным патрубком 3 без жидкого абсорбента 50 кг (минимальное значение массы (m), воздействующей на пружины). При диаметре аппарата Dа=1 м и максимальной высоте водного раствора абсорбента 
=5 см, наибольший объем жидкости на тарелке 2 составляет 40 л, а масса жидкости 40 кг. Тогда масса перфорированной тарелки 2 с переливным патрубком 3 с максимально возможной при работе тарелки массой жидкости на ней 90 кг (максимальное значение массы (m), воздействующей на пружины). Число пружин 8 с переменной жесткостью n=6.
Минимальное значение жесткости пружины с переменной жесткостью для m=50 кг согласно выражения (1) составит
.
Аналогично для 
Частота колебаний перфорированной тарелки 2 с переливным патрубком 3 согласно формуле (2) и при минимальном значении жесткости пружины 8 с массой m=50 кг только перфорированной тарелки 2 и переливным патрубком 3 (без жидкости) и при максимальном значении жесткости пружины 8 с массой m=90 кг, равной сумме масс перфорированной тарелки 2, переливного устройства 3 и наибольшей возможной при работе тарелки массой жидкости на ней составляет
,
то есть при крайних значениях воздействующих на тарелку 2 масс, у пружины 8 обеспечивается частота колебаний 
=330 Гц.
Собственная частота колебаний воздуха между тарелками 2 согласно формуле (3) составляет
,
то есть при любой массе жидкости на тарелке, когда суммарная масса перфорированной тарелки 2 с переливным патрубком 3 m=50 кг до суммарной массы перфорированной тарелки 2 с переливным патрубком 3 и максимально возможной при работе тарелки массой жидкости на ней m=90 кг в пружине 8 с переменной жесткостью имеются витки с жесткостью, обеспечивающей частоту колебаний =330 Гц, совпадающей с собственной частотой колебаний газа между тарелками 2 в массообменном аппарате.
Таким образом, выполнение витков пружин в виде конической спирали с постоянным шагом с крайними значениями жесткости пружин, определяемыми выражением (1) обеспечивает увеличение производительности за счет создания резонансного режима колебаний тарелок, обеспечивающего высокую амплитуду вибрации.
Массообменный аппарат, содержащий корпус, перфорированные тарелки с переливными патрубками и упорными пластинами, имеющие возможность вертикального перемещения, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, на которых равномерно по окружности, соосно с упорными пластинами установлены опорные пластины, причем на краях тарелок по окружности закреплены кольца диаметром, равным среднему диаметру желоба, а между опорными и упорными пластинами установлены пружины, отличающийся тем, что для создания переменной жесткости витки пружины выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом, причем крайние значения жесткости пружин определяются выражением
где k - жесткость пружины, Н/м; с - скорость звука в газе (паре), м/с; 
-расстояние между перфорированными тарелками, м; m - воздействующая на пружины минимальная или максимальная масса, кг; n - число пружин на каждой тарелке.
