Комбинированное контактное устройство для осуществления процессов тепло- и массообмена Российский патент 2021 года по МПК B01J19/32 B01J10/00 

Комбинированное контактное устройство относится к тепло- и массообменным аппаратам химической технологии, энергетики и других отраслей промышленности.

Известно комбинированное контактное устройство, выполненное в виде блоков из вертикально расположенных гофрированных листов с косыми гофрами, чередующихся со слоем насадки из горизонтально расположенных решетчатых призм (патент RU №2145699 С1, МПК F28F 25/08 (2000.01) от 06.07.1999).

Недостатком известного устройства является низкая величина поверхности, что обуславливает невысокие показатели процессов тепло- и массообмена.

Известно также комбинированное контактное устройство для осуществления процессов тепло- и массообмена, выполненное в виде чередующихся коротких слоев насадки, каждый из которых имеет различные геометрические характеристики и высоту (патент RU №2608526 С1, Бюллетень изобретений №2, от 19.01.2017).

Недостатком известного комбинированного контактного устройства является крайне узкий диапазон его работы наиболее выгодном режиме подвисания жидкости, а также невысокая пропускная способность, обусловленная использованием насыпной насадки. Отмеченные недостатки известной насадки в совокупности снижают эфективность осуществляемых технологических тепло- и массообменных процессов. Кроме того, использование в прототипе насыпной насадки обуславливает повышенные энергозатраты, что снижает энергоэффективность процесса.

Целью предлагаемого технического решения является снижение указанных недостатков, а именно - увеличение эффективности процессов тепло- и массообмена, увеличение пропускной способности насадки, также снижение энергозатрат.

Для решения указанной задачи чередующиеся по высоте соседние слои насадки имеют различную регулярную структуру, причем величины средней порозности соседних слоев насадки - ε₂ и ε₂ различаются между собой в соответствии с выражением: ε₂=А⋅ε₁; здесь ε₁ - величины порозности одного из слоев насадки, которая находится в пределах ε₁=0,92÷0,96; А - коэффициент, величины которого находится в пределах от 1,04 до 1,06.

Один из чередующихся соседних слоев насадки выполнен из вертикальных сотовых элементов, а соседние - из сетки объемного плетения. Высота слоев насадки, выполненной из сотовых элементов составляет H₁=B₁⋅d_e1, где d_e1 - эквивалентный диаметр канала данного слоя насадки, м, d_e1=4⋅ε₁/α₁, ε₁ - порозность данного слоя насадки, м³/м³; α₁ - удельная поверхность данного слоя насадки, м²/м³; B₁ - коэфициент находящийся в пределах от 2,4 до 5,0.

Смежные слои насадки выполненные из сотовых элементов, расположены со смещением друг относительно друга по высоте на величину, соизмеримую с размерами, равными 0,5⋅m, где m - ширина единичного сотового элемента, равная m=6÷12 мм.

Высота слоев насадки выполненных из сетки объемного плетения составляет Н₂=В₂⋅d_e2, где d_e2 - эквивалентный диаметр канала данного слоя насадки, м, d_e2=4⋅ε₂/α₂, ε₂ - порозность; данного слоя насадки, м³/м³, α₂ - удельная поверхность данного слоя насадки, м²/м³; d_e2 находится в пределах d_e2=0,0968÷0,0984, м, В₂ - коэфициент находящийся в пределах от 0,9 до 6,8.

Общий вид предлагаемого комбинированного контактного устройства представлен на фиг. 1-4. Устройство состоит из чередующихся по высоте слоев насадки, имеющих различную регулярную структуру - сотовой насадки 1 и насадки выполненной из заготовки в виде рукава из сетки объемного плетения 2. Высота слоев сотовой насадки H₁, слоев насадки из сетки - Н₂. Указанные слои насадки 1 и 2 загружают в аппарат 3 (см. фиг. 1). Слои сотовой насадки выполнены в виде правильных 6-ти гранников с вертикальными стенками (фиг. 2). Смещение смежных слоев сотовой насадки 4 и 5 по высоте аппарата показано на фиг. 3. Слои насадки, выполненные из рукава из сетки объемного плетения показаны на фиг. 4. При этом полотно в виде сетчатого рукава из сетки вначале собирают в гармошку 6, а затем изгибают в виде змеек 7 (см. фиг. 4).

Предлагаемая насадка выполняется следующим образом. Чередующиеся короткие слои сотовой насадки и слои из сетки объемного плетения, характеристики которых приведены в таблице 1, последовательно укладываются в аппарат один на другой, как это показано на фиг. 1.

При этом в слоях сотовой насадки скорость начала подвисания жидкости W_подв. меньше, чем у насадки из сетки объемного плетения (см. фиг. 5).

Геометрические характеристики отдельных слоев предлагаемой комбинированной насадки показаны в таблице 2.

Заявленные в предложенном комбинированном контактном устройстве пределы и технические режимы поясняются следующим образом.

Анализ опубликованных результатов исследований наиболее эффективного для осуществления процессов тепло- и массообмена режима инверсии фаз [см. Каган, Лаптев и др. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Казань: Отечество, 2013, 454 с.] позволяет сделать следующие выводы:

- При увеличении q_ж начало захлебывания слоя насадки при более низких скоростях газового потока W₀.

- При одинаковых плотностях орошения q_ж у насадок с более крупными размерами эквивалентного диаметра (гидравлического радиуса) d_e скорость газа, соответствующая началу захлебывания - выше, чем у насадок с меньшими размерами d_e.

Чередование слоев насадки имеющих различную структуру в комбинированном контактном устройстве позволяет увеличить интенсивность процесса тепло - и массообмена за счет постоянного чередования различных режимов течения взаимодействующих потоков по всей высоте аппарата с насадкой.

Из сравнения графических зависимостей (ΔР/Н)=f(W₀) для слоев насадки двух типов - сотовой и из сетки объемного плетения при близких плотностях орошения q_ж=20 м³/м²⋅ч и q_ж=15 м³/м²⋅ч, соответственно, видно, что при значениях скорости газового потока W₀≥W_подв. у слоев насадки из сетки зависимость (ΔР/Н)=f(W₀) имеет более плавный, пологий протяженный по W₀ характер (см. кривые 8 и 9 на фиг. 5). Эта особенность слоев насадки, выполненной из сетки объемного плетения создает благоприятное условие для работы комбинированного контактного устройства в наиболее эффективной области нагрузок по газу вблизи скоростей жидкости W₀≥W_подв.

Анализ семейства кривых зависимостей (ΔР/Н)=f(W₀), характерных для элементов регулярной сотовой насадки, равно как и для других регулярных структурированных насадок, показывает, что все они имеют близкий по своей форме характер, существенным признаком которого является крайне узкий диапазон существования режима подвисания жидкости в слое насадки. В отличие от всех остальных типов насадок у насадок, выполненных из объемных сетчатых элементов области перехода от пленочного режима течения к режиму подвисания. носит существенно более плавный и протяженный по диапазону скоростей W₀ характер, что делает возможным работу насадки в оптимальном по эффективности режиме.

При выполнении соотношения между величинами средней порозности соседних слоев насадки ε₁ и ε₂ в виде зависимости ε₂=А⋅ε₁, где ε₁ - величина прозности базового слоя комбинированной насадки, которая находится в пределах ε₁=0,92-0,96, а коэффициент А=1,04÷1,06. При А<1,04 значительно уменьшается ε₂ и возрастает гидравлическое сопротивление аппарата с насадкой. При А>1,06 возрастает ε₂ и увеличивается унос капельной жидкости из объема насадки.

При выполнении слоев сотовых элементов комбинированной насадки высотой H₁=B₁⋅d_e1, где d_e1 - эквивалентный диаметр канала данного слоя насадки, который находится в пределах d_e1=0,004÷0,01 м, а коэффициент B₁=2,4÷5,0. При величине B₁<2,4 резко возрастает гидравлическое сопротивление аппарата из-за значительного увеличения общего числа так называемых «концевых» эффектов, что нецелесообразно. При B₁>5,0 эффективность процессов тепло - и массообмена снижается из-за отсутствия поперечного перемешивания взаимодействующих потоков в слоях сотовой насадки.

Комбинированное контактное устройство работает следующим образом.

Взаимодействующие потоки газ и жидкость поступают в аппарат с чередующимися слоями регулярной насадки выполненной из сотовых элементов или сетки объемного плетения. При этом в соседних по высоте слоях указанной насадки в зависимости от скорости выходящего газового потока - W₀, м/с и плотности орошения q_ж, м³/(м²⋅ч) устанавливается одна из следующих возможных комбинаций высокоэффективных режимов течения:

- пленочный и режим подвисания;

- пленочный и режим инверсии фаз;

- режим подвисания и режим инверсии фаз.

Графическая зависимость (ΔР/Н)=f(W₀) для используемой конструкции комбинированного контактного устройства в виде сотовой насадки с размером ячейки 6×10 мм при при плотности орошения q_ж=20 м³/(м²⋅ч) и насадки из объемной сетки при q_ж=15 м³/(м²⋅ч) показана на фиг. 5 (см. фиг. 5, кривые 8 и 9).

Изобретение относится к тепло- и массообменным аппаратам, в частности к комбинированному контактному устройству, и может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности при осуществлении технологических процессов в противоточных системах газ - жидкость. Устройство выполнено в виде чередующихся коротких слоёв насадки, имеющих различные геометрические характеристики, высоту и различную регулярную структуру. В каждой паре из соседних отдельных слоёв реализуется одна из следующих возможных и различных по отношению к двум другим соседним слоям насадки комбинация режимов течения взаимодействующих потоков - плёночный и режим подвисания, плёночный и режим инверсии фаз, режим подвисания и режим инверсии фаз. Величины средней порозности соседних слоёв насадки ε₁ и ε₂ различаются между собой в соответствии с выражением ε₂=А⋅ε₁, где ε₁ - величина порозности базового слоя насадки, которая находится в пределах ε₁=0,92÷0,96 м³/м³, А - коэффициент, величины которого находятся в пределах от 1,04 до 1,06. Изобретение обеспечивает увеличение пропускной способности насадки, увеличение эффективности процессов тепло- и массообмена и снижение энергозатрат. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Комбинированное контактное устройство для осуществления процессов тепло- и массообмена, выполненное в виде чередующихся коротких слоёв насадки, имеющих различные геометрические характеристики и высоту, отличающееся тем, что чередующиеся по высоте соседние слои насадки имеют различную регулярную структуру, при этом в каждой паре из соседних отдельных слоёв регулярной насадки реализуется одна из следующих возможных и различных по отношению к двум другим соседним слоям насадки комбинация режимов течения взаимодействующих потоков - плёночный и режим подвисания, плёночный и режим инверсии фаз, режим подвисания и режим инверсии фаз, причём величины средней порозности соседних слоёв насадки ε₁ и ε₂ различаются между собой в соответствии с выражением ε₂=А⋅ε₁, здесь ε₁ - величина порозности базового слоя насадки, которая находится в пределах ε₁=0,92÷0,96 м³/м³, А - коэффициент, величины которого находятся в пределах от 1,04 до 1,06.

2. Комбинированное контактное устройство по п. 1, отличающееся тем, что один из чередующихся соседних слоёв насадки - базовый - выполнен из вертикальных сотовых элементов, а каждый второй – из сетки объемного плетения.

3. Комбинированное контактное устройство по пп. 1, 2, отличающееся тем, что высота слоёв насадки, выполненных из сотовых элементов, составляет Н₁ = В₁⋅d_e1, где d_e1 - эквивалентный диаметр канала данного слоя насадки, м; d_e1=4⋅ε₁/α₁; d_e1 = 0,004÷0,01 м; ε₁ - порозность данного слоя насадки, м³/м³; α₁ - удельная поверхность данного слоя насадки, м²/м³; В₁ - коэффициент, находящийся в пределах от 2,4 до 5,0.

4. Комбинированное контактное устройство по пп. 1, 2, 3, отличающееся тем, что смежные слои насадки, выполненные из сотовых элементов, расположены со смещением относительно друг друга по высоте на величину, соизмеримую с размером С = 0,5·m, где m – ширина единичного сотового элемента, равная m = 5÷12 мм.

5. Комбинированное контактное устройство по пп. 1, 2, 3, 4, отличающееся тем, что высота слоёв насадки, выполненных из сетки объемного плетения, составляет Н₂ = В₂⋅d_e2, где d_e2 - эквивалентный диаметр канала данного слоя насадки, м; d_e2=4⋅ε₂/α₂; ε₂ - порозность данного слоя насадки, м³/м³; α₂ - удельная поверхность данного слоя насадки, м²/м³; В₂ - коэффициент, находящийся в пределах от 0,9 до 6,8, а величина d_e2 = 0,0968÷0,0984.