НАСАДКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 2021 года по МПК B01J19/30 

Изобретение относится к конструкции насыпных насадок для осуществления ряда тепло- массообменных процессов в колонных аппаратах в системах газ-жидкость в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности, например, абсорбции, ректификации, дистилляции и др.

Известна миникольцевая насадка типа SMR (Super Mini Ring) фирмы Beijing Zehua Chemical Eng. Co. Ltd. (КНР) (см. патент CN1052435A, МПК B01J 19/30, 1991г.). Насадка SMR выпускается размером 50х17х0,8 мм, имеет удельную поверхность 115 м²/м³, порозность 0,965 м³/м³. Элементы насадки SMR имеют три внутренних перемычки, образующие в плане «Y»-образный профиль. К недостаткам такой конструкции относится образование непроточной зоны между соседними перемычками, что уменьшает активную поверхность насадки и тем самым снижает эффективность осуществляемого технологического процесса.

Наиболее близким аналогом к разрабатываемой конструкции является элемент насадки, представляющий собой насадку, выполненную в виде кольца, имеющего симметрично расположенные на одном уровне прямоугольные отверстия, перемычки которых вдавлены внутрь кольца с зазором между ними, образуя в плане «Ω»-образные профили, а высота h этих перемычек определяется из соотношения:

h = 0,33 х H,

где H = A x D, здесь H – высота кольца; D – диаметр кольца; A – коэффициент, величина которого находится в пределах от 1/5 до 1/2 (см. авторское свидетельство SU №1797991 A1, МПК B01J 19/30, 1992 г.).

Недостатком указанной насадки также является образование непроточной зоны между вершинами соседних перемычек, что неизбежно уменьшает активную удельную поверхность слоя такой насадки и тем самым снижает эффективность осуществления процессов тепло- и массообмена.

Задача изобретения – интенсификация процессов тепло- и массообмена за счет увеличения активной удельной поверхности насадки, а также за счет увеличения поверхности контакта взаимодействующих фаз. Это достигается за счет предотвращения образования непроточной зоны между вершинами соседних перемычек внутри кольцевого пространства элементов насадки.

Поставленная задача решается тем, что вершины «Ω»-образных профилей внутренних перемычек кольца новой насадки образуют между собой зазор δ, величина которого составляет:

δ = C x h,

где C – коэффициент, находящийся в пределах от 0,8 до 1,4, а h – высота перемычек.

На фиг. 1 представлен общий вид насадочного элемента в плане (поз. 1 – кольцеобразная часть насадки, 2 – внутренние перемычки). На фиг. 2 – вид сбоку на элемент насадки. На фиг. 3 – сечение элемента насадки по оси, перпендикулярной оси симметрии.

В таблице 1 представлены геометрические характеристики предлагаемой насадки типа MICHM-X в сравнении с наиболее известными промышленными насадками близких типоразмеров. Как это видно, предлагаемая насадка имеет на 10,87% большую удельную поверхность по сравнению с насадкой типа SMR и на 15,9% большую удельную поверхность по сравнению с насадкой типа Pall Ring.

Основные геометрические характеристики насадок

Таблица 1

№ п/п Название насадки Размеры элемента насадки, мм Удельная поверхность,
м²/м³ Порозность, м³/м³ Число штук,
шт./м³ 1 Предлагаемая насадка 50х15х1,0 127,5 0,943 24180 2 насадка типа SMR 50х17х0,8 115,0 0,965 21500 3 Насадка типа Pall Ring 50х50х1,0 110,0 0,95 6500

Таким образом, по основным геометрическим характеристикам – величине удельной поверхности и числу штук в 1 м³ предлагаемая новая насадка превосходит промышленные аналоги – насадку типа SMR и насадку Pall Ring.

Специально поставленные опыты по визуализации растекания жидкой фазы по поверхности элементов предлагаемой насадки показали, что вершины «Ω»-образных профилей внутренних перемычек кольца образуют между собой зазор, препятствующий зависанию капель жидкости и образованию там менисков непроточной жидкости. Величина зазора δ составляет: δ = C x h,

где C – коэффициент, находящийся в пределах от 0,8 до 1,4. При величинах С < 0,8, значительно увеличивается вероятность нежелательного зависания капель жидкой фазы в зазоре между перемычками. В случае, С > 1,4 снижается равномерность распределения газовой фазы в поперечном сечении колонного аппарата с насадкой.

Кроме того «Ω»-образные профили внутренних перемычек выполнены с поворотом относительно вертикальной оси на угол 5÷10º. При этом, вся геометрическая поверхность новой насадки участвует в осуществлении процессов тепло- и массообмена между контактирующими потоками газа и жидкости, что позволяет дополнительно увеличить пропускную способность контактного аппарата и эффективность процессов тепло – и массообмена.

При повороте перемычек на угол α < 5° уменьшается эффект поперечного перемешивания взаимодействующих потоков. При величине угла α > 10° резко возрастает гидравлическое сопротивление слоя насадки, что нежелательно.

Пример конкретного выполнения предлагаемой насадки

Диаметр насадки – D=50 мм;

Высота насадки – H=15 мм;

Толщина насадки – L = 1 мм;

Высота перемычки – h=5 мм.

Вершины «Ω»-образных профилей внутренних перемычек выполнены с зазором δ=5 мм (коэффициент C=1,2).

Насадка выполняется из металлического листа штамповкой с последующей гибочной операцией. Материал подбирается из условий коррозионных свойств контактирующих сред в колонном аппарате.

Насадка работает следующим образом.

Для осуществления технологического процесса, например, абсорбции газов, в контактный аппарат на необходимую высоту засыпают в навал элементы насадки. Высота слоя насадки определяется расчетным путем по известной методике. [см. Рамм Абсорбция газов.] Контакт между газом и жидкостью в аппарате осуществляется непрерывно в противопотоке во всем объеме слоя насадки. При этом из-за отсутствия застойных зон внутри элементов насадки между соседними «Ω»-образными перемычками в контактном аппарате обеспечивается более высокая пропускная способность по жидкости на 6-8%, а так же увеличение эффективности процессов тепло- и массообмена на 4-6%.

Изобретение относится к конструкции насыпных насадок для осуществления тепло- и массообменных процессов в колонных аппаратах в системах газ-жидкость и может использовано в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Насадка выполнена в виде кольца, имеющего симметрично расположенные на одном уровне прямоугольные отверстия, перемычки которых вдавлены внутрь кольца с зазором между ними, образуя в плане «Ω»-образные профили. Высота перемычек определяется из соотношения h = 0,33H, где H=AD, где H – высота кольца, D – диаметр кольца, A – коэффициент, величина которого находится в пределах от 1/5 до 1/2. Зазор между вершинами «Ω»-образных профилей внутренних перемычек кольца составляет величину, равную δ=Ch, где C – коэффициент, находящийся в пределах от 0,8 до 1,4. Изобретение обеспечивает увеличение активной удельной поверхности насадки, увеличение поверхности контакта взаимодействующих фаз, увеличение пропускной способности контактного аппарата и интенсификацию процессов тепло- и массообмена. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Насадка для осуществления тепло- и массообменных процессов в системах газ-жидкость, выполненная в виде кольца, имеющего симметрично расположенные на одном уровне прямоугольные отверстия, перемычки которых вдавлены внутрь кольца с зазором между ними, образуя в плане «Ω»-образные профили, а высота этих перемычек определяется из соотношения:

h = 0,33×H ,

где H =A×D, здесь H – высота кольца; D – диаметр кольца; A – коэффициент, величина которого находится в пределах от 1/5 до 1/2, отличающаяся тем, что вершины «Ω»-образных профилей внутренних перемычек кольца образуют между собой зазор δ, величина которого составляет:

δ = C×h,

где C – коэффициент, находящийся в пределах от 0,8 до 1,4.

2. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние перемычки выполнены с поворотом относительно вертикальной плоскости на угол α, величина которого составляет от 3 до 8º.

3. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние перемычки выполнены с поворотом относительно вертикальной плоскости во взаимно противоположные стороны.