НАСАДКА С ПЕРЕКРЕСТНО-КАНАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ, А ТАКЖЕ НАБИВНАЯ КОЛОННА И СМЕСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ТАКОЙ НАСАДКОЙ Российский патент 2002 года по МПК B01J19/32 B01F3/04 

Изобретение относится к насадке с перекрестно-канальной структурой согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения, набивной колонне с такой насадкой в качестве набивки, а также к смесительному устройству с такой насадкой в качестве статического смесителя.

Из заявки Швейцарии 547120 известно смесительное устройство для жидкостей, у которого статические смесительные элементы встроены в трубу. Такой встроенный элемент состоит из касающихся друг друга слоев, которые с частично открытыми проточными каналами образуют перекрестно-канальную структуру. Из заявки ФРГ 2601890 известно набивочное тело для колонн, также имеющее перекрестно-канальную структуру. С помощью такой набивки колонны может осуществляться массо- и/или теплообмен, а именно между а) средой на поверхностях набивки, в частности оросительной пленкой, и/или покрытием, обладающим каталитическим действием, б) газовым потоком, протекающим по образованным поверхностями набивки каналам.

При протекании жидкости по открыто перекрещивающимся каналам на граничных поверхностях между соседними слоями возникает взаимодействие между жидкостями, при котором происходит импульсный обмен. На основе этого импульсного обмена в каналах образуются вихри, каждый в виде вихревого шнура (поступательный поток жидкости с наложением вращения), ядро которого простирается в направлении канала. Эти вихревые шнуры создают дополнительные вторичные вихри. Движущие силы вихревых шнуров, возникшие за счет импульсного обмена, устанавливаются с возможностью поддержания вихрей в установившихся состояниях несмотря на действие сил трения. Вихри способствуют перемешиванию жидкости, с одной стороны, за счет массообмена между соседними каналами, а, с другой стороны, за счет массообмена между пограничными слоями и внутренними пространствами каналов. Поскольку каналы наклонены, жидкость гомогенизируется в отношении температуры и концентрации по сечению насадки, правда, лишь в направлении слоев. Эффекты гомогенизации и смешивания достигаются с рассеянием энергии, которое проявляется в виде дополнительного гидравлического сопротивления (или падения давления).

Задачей изобретения является создание насадки с перекрестно-канальной структурой, у которой эффекты гомогенизации и смешивания достигаются при уменьшенном рассеянии энергии. По сравнению с характеристиками известных насадок с перекрестно-канальной структурой у создаваемой насадки гидравлическое сопротивление должно быть меньше, причем, однако, производительность разделения массообменной колонны или смешивающее действие статического смесителя должно в значительной степени оставаться таким же высоким. Эта задача решается посредством насадки, охарактеризованной в п.1 формулы изобретения.

Насадка с перекрестно-канальной структурой предусмотрена для набивной колонны или статического смесителя. Она выполнена из граничащих друг с другом слоев, в каждом из которых параллельно друг другу расположены каналы. На граничных поверхностях между соседними слоями проходят латеральные (боковые) каналы, открытые друг к другу.

Эти латеральные каналы образуют перекрестную структуру. По меньшей мере, одна часть слоев дополнительно к латеральным каналам содержит центральные каналы. Материальное разделение на границах между центральными и латеральными каналами достигнуто приблизительно на одной половине с равномерно расположенными отрезками стенок; в зонах другой половины границы каналов открыты.

Слои насадки, согласно изобретению, включают в себя помимо латеральных каналов дополнительно центральные каналы, которые лишь частично ограничены стенками от латеральных каналов. Латеральные каналы соответствуют каналам известной перекрестно-канальной структуры, у которой параллельные каналы соответственно одного и того же слоя разделены по всей своей длине стенками. В латеральных каналах, как и в известной перекрестно-канальной структуре, названное взаимодействие между соседними слоями вызывает первичные вихревые шнуры. Эти первичные вихревые шнуры создают в центральных каналах вторичные вихревые шнуры. Благодаря центральным каналам, в основном, при таком же по величине рассеянии энергии смесительное действие достигается в большем объеме. Поскольку отдельные слои, иначе, чем в известной перекрестно-канальной структуре, имеют большую проницаемость между латеральными каналами обеих сторон, дополнительно возникает гомогенизация, происходящая перпендикулярно направлению слоев.

Зависимые пп.2-7 относятся к предпочтительным формам выполнения насадки, согласно изобретению. Объектами пп.8-10 являются набивная колонна и смесительное устройство с такими насадками.

Изобретение поясняется ниже с помощью чертежей, на которых изображено:
- фиг.1 - вид сверху на слой насадки, согласно изобретению;
- фиг.2, 3 - два сечения слоя из фиг.1;
- фиг.4 - косая проекция того же слоя;
- фиг.5 - схематично характеристика, течения в насадке, согласно изобретению;
- фиг.6 - особенно предпочтительная геометрия слоя насадки;
- фиг.7, 8 - другая форма выполнения в соответствующем фиг.1 и 2 изображении;
- фиг.9 - вариант слоя из фиг.8;
- фиг.10 - детальное изображение слоя показанного на фиг.6 типа;
- фиг. 11 - схематично набивная колонна, или статический смеситель с насадкой, согласно изобретению.

Слой 10 насадки 1, согласно изобретению (фиг.1, 4, 11), образован растрообразно шлицованным и деформированным листом. Вместо листа может быть предусмотрена также пленка или проволочная сетка. Шлицы 11 имеют шлицевые кромки 11а, 11b, ограничивающие открытую поверхность 22 или 22' (фиг.4). Шлицы 11 имеют угловые точки А, В и А', В', образующие растр с треугольниками АВА' и BA'B'. В качестве материала для листа (или пленок или сеток) могут быть выбраны металлы, керамические вещества и/или пластики.

Насадка 1 выполнена из множества граничащих друг с другом слоев 10, в каждом из которых параллельно друг другу расположены каналы 2. Каналы 2 наклонены к направлению главного течения. Это направление параллельно оси z на фиг. 4. На граничных поверхностях 3 (фиг.2, 11) между соседними слоями 10 простираются каналы 2, а именно латеральные каналы, идентифицируемые на фиг. 4 с помощью лежащих в плоскости x-y сечений. Латеральные каналы треугольного сечения каждый обозначены здесь поз. 20. Эти латеральные каналы 20 открыты друг к другу; они образуют перекрестную структуру. Слой 10 содержит дополнительно к латеральным каналам 20 центральные каналы 21 четырехугольного сечения каждый. Материальное разделение на границах между центральными и латеральными каналами 2 достигнуто приблизительно на одной половине с равномерно расположенными отрезками стенок; в зонах другой половины границы каналов открыты.

Граничные поверхности каналов 2 образованы гребенчато сложенными отрезками стенок. Кромки сгиба или гребни 12, 14 этих отрезков стенок расположены рядами попеременно с обеих сторон центральной плоскости 4 слоя 10, а именно плоскости x-z на фиг.4; они параллельны этой плоскости. При виде сверху на фиг.1 гребни 12, 14 лежат соответственно спереди и сзади относительно плоскости чертежа, проходящей параллельно гребням 12, 14. Другие кромки 13, 15 сгибов лежат в центральной плоскости 4. Направление 5 каналов 2 образует с осью z (фиг. 4) угол W, а именно с левой стороны оси z, если смотреть в направлении y. В изображенном примере направление 5' каналов соседних слоев 10' образует с осью z также угол W, однако с правой стороны. Этот угол W наклона больше 10^o и меньше 70^o. Проекция направлений 5 и 5' каналов на плоскость x-y показана на фиг.4 стрелками соответственно 50 и 50'.

На фиг. 2 и 3 изображены два параллельных сечения слоя 10, соответствующих линиям II-II и III-III на фиг.1. Штрихпунктирными прямыми 30, 40 обозначены слои граничных поверхностей 3 и центральной плоскости 4. На фиг.2 видны только лежащие на граничных поверхностях 3 кромки 12, 14 сгибов, а на фиг.3 также кромки 13, 15 сгибов в центральной плоскости 4. Сечение на фиг.3 пересекает шлицы 11 (кромки 11а, 11b) в точках а, b, с и d.

Фиг. 5, изображающая лежащее в плоскости x-y сечение двух соседних слоев 10 (фиг. 4), иллюстрирует характеристику течения в латеральных 20 и центральных 21 каналах. В латеральных каналах 20 за счет взаимодействия между течениями в соседних перекрещивающихся каналах 2 образуются вихри 51а, 51b. Эти первичные вихри 51а, 51b создают вторичные вихревые пары 52а, 52b в центральных каналах 21.

Равномерно расположенные отрезки стенок каналов 2 имеют свободные кромки, а именно шлицевые кромки 11а, 11b. Эти кромки 11а, 11b могут быть согнутыми или зубчатыми (не показано). Предпочтительно они выполнены, однако, прямолинейными и лежат, по меньшей мере, приблизительно на линиях падения, т. е. на линиях, лежащих в вертикальной плоскости (параллельно оси z) и ориентированных относительно поверхности слоя 10 так, что они перпендикулярны горизонтали на этой поверхности. Эта предпочтительная форма выполнения изображена на фиг.6. Направление линии падения обозначено здесь стрелкой 19.

Изображенная на фиг.7 форма выполнения, как и форма выполнения на фиг.1, имеет треугольный растр. Здесь, однако, шлицы 11 заканчиваются на расстоянии соответственно δ_A и δ_B от угловых точек А (или А') и В (или В'). На основе этих расстояний за счет угловых точек вместо кромок 13, 15 сгибов на фиг.1 образуются "горизонтальные" ленты 16-см сечения на фиг.8. Под "горизонтальным" при этом следует понимать, что ленты 16 лежат в центральной плоскости 4. Вместо "горизонтальных" лент 16 могут быть предусмотрены, например, также наклонные ленты 16' и 16'', как это показано на фиг.9.

Геометрия слоя 10 характеризуется углом W наклона, углами кромок 12, 14 сгибов и расположением шлицев 11. Расположение шлицев 11 определяется расстоянием между угловыми точками А и В, расстояниями δ_A и δ_B, а также, например, двумя углами α и β треугольников (фиг.7).

На фиг.10 изображены дополнительные детали окружения открытой поверхности 22 на фиг.6, обозначенной крестиком 220, которые могут иметь слой 10: на материальных границах каналов 2 - на стенках каналов - сделана насечка, т.е. на них выполнены тонкие желобки. Насечка 17 перпендикулярна линиям падения (кромки 11а, 11b). Стенки каналов дополнительно могут быть также перфорированы, например круглыми отверстиями 18. Вместо насечки 17 из только параллельных желобков может быть также предпочтительно предусмотрена насечка, известная из европейской заявки 0190435, у которой поверхностная структура образована перекрещивающимися желобками.

Насадка, согласно изобретению, необязательно должна быть выполнена из слоев одного типа. Могут быть также изготовлены слои из нешлицованных листов (или пленок или сеток), имеющие волнообразную форму, в частности сложенные зигзагообразно. У подобной структуры предпочтительно, если слои разных типов расположены в равномерной последовательности, т.е., например, в попеременном расположении а) слоев из листов изображенного на фиг. 1-10 типа и б) слоев из волнообразных нешлицованных листов.

Насадка 1, согласно изобретению, выполнена, как правило, из нескольких, расположенных друг над другом элементов набивки, причем каждый элемент образует участок набивки с одинаково ориентированными слоями и горизонтальные направления слоев соседних элементов перекрещиваются. На фиг.11 изображена структурная конструкция подобной насадки 1, а именно с граничными поверхностями 3 двух элементов 1a, 1b набивки, расположенных в цилиндрической стенке 100 колонны или статического смесителя. Штрихпунктирные линии 30' обозначают верхние кромки непоказанных граничных поверхностей 3. Стрелки 5, 5' обозначают направления каналов соседних слоев 10 (не показаны). Стрелки 6, 7 обозначают направления главных течений жидкостей, направляемых через насадку 1 с целью смешивания и/или массообмена.

Листы (или пленки или сетки) слоев 10 или также лишь отдельные отрезки стенок слоев 10 могут быть снабжены дополнительными шлицами и деформациями, так что, например, образуются меньшие гребенчато сложенные отрезки стенок, выполненные аналогично отрезкам стенок каналов 2 (фиг.4), но немного меньше них. Перекрестно-канальная структура с подобным микроструктурированием известна из заявки США 4710326.

Каналы 2 изображены во всех примерах выполнения как прямолинейные каналы. Они могут, однако, иметь и изменения направления, в частности в краевых зонах на верхних и/или нижних концах элементов 1а, 1b набивки на фиг. 11. У особых форм выполнения набивки в ее элементах различают нижнюю, среднюю и верхнюю зоны. В зонах на краях элементов набивки можно за счет подходящей формы уменьшить гидравлическое сопротивление по сравнению с гидравлическим сопротивлением средней зоны. Такие предпочтительные формы выполнения известны из международной заявки WO 97/16247.

Поверхности насадки, согласно изобретению, могут иметь покрытие из веществ, обладающих каталитическим действием. Такие насадки могут применяться в колоннах для осуществления реактивной дистилляции или в качестве носителей катализатора в катализаторах отработавших газов.

Насадка с перекрестно-канальной структурой предусмотрена для набивной колонны или статического смесительного устройства. Она выполнена из граничащих друг с другом слоев (10), в каждом из которых параллельно друг другу расположены каналы (2). На граничных поверхностях между соседними слоями проходят латеральные каналы (20), открытые друг к другу. Эти латеральные каналы образуют перекрестную структуру. По меньшей мере, одна часть слоев (10) дополнительно к латеральным каналам (20) содержит центральные каналы (21). Материальное разделение на границах между центральными и латеральными каналами достигнуто приблизительно на одной половине с равномерно расположенными отрезками стенок; в зонах другой половины границы каналов открыты. Насадка обеспечивает эффективную гомогенизацию и смешивание при уменьшенном рассеянии энергии. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Насадка (1) с перекрестно-канальной структурой для набивной колонны или статического смесительного устройства, выполненная из граничащих друг с другом слоев (10), в каждом из которых параллельно друг другу расположены каналы (2), причем на граничных поверхностях (3) между соседними слоями проходят латеральные каналы (20), открытые друг к другу, и эти латеральные каналы образуют перекрестную структуру, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна часть слоев (10) дополнительно к латеральным каналам (20) содержит центральные каналы (21), причем материальное разделение на границах между центральными и латеральными каналами достигнуто приблизительно на одной половине с равномерно расположенными отрезками стенок, а в зонах другой половины границы каналов открыты. 2. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый слой (10) образован растрообразно шлицованным и деформированным листом, причем границы каналов образованы гребенчато сложенными отрезками стенок и гребни (12, 14) этих отрезков стенок расположены рядами попеременно с обеих сторон центральной плоскости (4) слоя и параллельно этой плоскости, причем вместо листа может быть предусмотрена также пленка или проволочная сетка, а в качестве материала листа или пленки или сетки могут быть выбраны металлы, керамические вещества и/или пластики. 3. Насадка по п. 2, отличающаяся тем, что отдельные отрезки стенок снабжены дополнительными шлицами и деформациями, в частности, имеют микроструктуру. 4. Насадка по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что все каналы наклонены к направлению (6, 7) главного течения и угол (W) наклона относительно направления главного течения больше 10^o и меньше 70^o, причем, в частности, перекрещивающиеся каналы (2) соседних слоев (10), наклоненные навстречу друг другу относительно направления главного течения, имеют углы наклона, в основном, одинаковые по величине. 5. Насадка по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что равномерно расположенные отрезки стенок имеют свободные кромки (11а, 11b), выполненные прямолинейными и, по меньшей мере, приблизительно лежащие на линиях падения, т. е. на линиях, лежащих в вертикальной плоскости и направленных перпендикулярно горизонтали на поверхности. 6. Насадка по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что на стенках каналов выполнена насечка или другая структура и/или стенки каналов дополнительно перфорированы, например, круглыми отверстиями (18). 7. Насадка по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что отдельные, равномерно расположенные слои изготовлены из нешлицованных листов, пленок или сеток, имеющих каждая волнообразную форму, в частности сложенных зигзагообразно. 8. Набивная колонна, отличающаяся тем, что насадка (1) по одному из пп. 1-7 использована в качестве набивки для массо- и/или теплообмена между, с одной стороны, оросительной пленкой на поверхностях набивки и, с другой стороны, газовым потоком, протекающим через множество каналов (2), образованных поверхностями набивки, причем поверхности набивки снабжены покрытием из веществ, обладающих каталитическим действием. 9. Колонна по п. 8, отличающаяся тем, что насадка (1) выполнена из нескольких расположенных друг над другом элементов (1а, 1b) набивки, каждый элемент образует участок набивки с одинаково ориентированными слоями (10), причем горизонтальные направления слоев соседних элементов перекрещиваются. 10. Смесительное устройство, содержащее трубу (100) и установленный в трубе статический смеситель (1), отличающееся тем, что статический смеситель (1) выполнен в виде насадки по одному из пп. 1-7 для перемешивания текучих веществ, протекающих по трубе в одинаковом направлении (6 или 7), причем поверхности смесителя снабжены покрытием из веществ, обладающих каталитическим действием.