СТРУКТУРИРОВАННЫЙ НАСАДОЧНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ КОЛОНН Российский патент 2021 года по МПК B01J19/32 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №62/517,368, поданной 9 июня 2017 г., описание которой включено в настоящий документ путем ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Настоящее изобретение относится по существу к массообменным колоннам и, более конкретно, к структурированной насадке, используемой для облегчения массо- и теплообмена между текучими средами в таких колоннах.

[0003] Массообменные колонны выполнены с возможностью обеспечения контакта по меньшей мере двух потоков текучей среды для создания потоков продукта определенной композиции и/или температуры. Используемый в настоящем документе термин «массообменная колонна» относится к колоннам, приоритетной задачей функционирования которых является массообмен и/или теплообмен. Некоторые массообменные колонны, например применяемые в многокомпонентных дистилляционных и абсорбционных установках, обеспечивают контакт газофазного потока с жидкофазным потоком, а другие, например экстракционные колонны, могут быть выполнены с возможностью улучшения контакта между двумя жидкими фазами различной плотности. Часто массообменные колонны выполнены с возможностью обеспечения контакта восходящего потока пара или жидкости с нисходящим потоком жидкости, как правило, вдоль множества массообменных поверхностей, расположенных внутри колонны. Обычно такие массообменные поверхности образованы размещенными во внутреннем объеме колонны структурами, которые выполнены с возможностью облегчения тесного контакта между двумя фазами текучей среды. В результате работы этих поверхностей улучшается скорость и/или степень массо- и теплообмена между двумя фазами.

[0004] Структурированная насадка используется в колоннах для обеспечения поверхностей тепло- и/или массообмена. В одном типе структурированной насадки используются множество гофрированных листов, которые образуют гофры, состоящие из чередующихся пиков и впадин. Гофрированные структурированные насадочные листы расположены вертикально и параллельно друг другу и упорядочены таким образом, что гофры каждого листа проходят под углом к продольной оси колонны и под углом относительно гофров каждого смежного листа в перекрещивающемся виде. Структурированные насадочные листы соединены друг с другом для формирования структурированного насадочного модуля, в котором каналы для текучей среды образованы во впадинах перекрещивающихся гофров. Структурированный насадочный модуль может образовывать структурированный насадочный слой, который заполняет горизонтальное внутреннее поперечное сечение колонны, или структурированный насадочный модуль может быть представлен в виде отдельных блоков, расположенных торец к торцу и бок о бок друг с другом для формирования структурированного насадочного слоя. Множество структурированных насадочных слоев обычно уложены друг на друга, причем ориентация листов в одном слое повернута относительно ориентации листов в смежных структурированных насадочных слоях.

[0005] Для структурированных насадочных листов применяют различные типы текстурирования поверхности для облегчения распределения жидкой фазы по поверхности структурированных насадочных листов и, таким образом, максимального увеличения массо- и энергообмена между паровой и жидкой фазами по мере их перемещения через структурированный насадочный слой. Для всей площади поверхности структурированного насадочного листа обычно применяют единственный тип текстурирования поверхности. В одном типе текстурирования поверхности используются канавки, которые проходят в боковом направлении параллельно верхнему и нижнему краю структурированного насадочного листа. Если структурированный насадочный лист является неровным, канавки будут отклонены от горизонтали, а жидкость, перемещающаяся вдоль канавок, будет предпочтительно протекать в одном направлении, что приведет к нарушению распределения жидкости и снижению эффективности массообмена.

[0006] Другой тип текстурирования поверхности, который обычно имеет более высокую эффективность массообмена в отличие от текстурирования с канавками, представляет собой однородную сетку вогнутых и выпуклых структур, где каждая вогнутая структура отделена от смежной вогнутой структуры с помощью выпуклой структуры. Вогнутые структуры на одной грани структурированного насадочного листа образуют выпуклые структуры на противолежащей грани структурированного насадочного листа, и наоборот.

[0007] Выпуклые структуры, которые окружают вогнутые структуры, образуют ряды, содержащие пики и соединительные седловины, при этом седловины и вогнутые структуры образуют ряды микроканалов, вдоль которых предпочтительно протекает жидкость. Ряды и микроканалы расположены под углом и пересекают верхний и нижний края структурированного насадочного листа под углом, например 45 градусов. Было обнаружено, что эти микроканалы оказывают влияние на схему распределения жидкости. Если они в целом выровнены со впадинами гофров, то при попадании жидкости во впадину гофра она склонна следовать по микроканалам и оставаться внутри впадины гофра. В идеале жидкость могла бы выходить из впадин гофров, протекая над пиками гофров и поступая в другие впадины гофров для облегчения бокового распределения жидкости.

[0008] Таким образом, существует потребность в усовершенствованной структурированной насадке, в которой жидкость способна более равномерно распределяться по структурированным поверхностям насадки, увеличивая активную и эффективную площадь поверхности, на которой происходит взаимодействие жидкости и пара, в результате чего достигается увеличение эффективности массообмена.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] В одном аспекте настоящее изобретение относится к структурированному насадочному модулю, содержащему множество структурированных насадочных листов, расположенных вертикально и параллельно друг другу, причем каждый структурированный насадочный лист имеет противолежащие грани, верхний край, нижний край, объемную область между верхним краем и нижним краем и гофры, образованные чередующимися пиками и впадинами, которые соединены боковыми стенками гофра и проходят в наклонном направлении, которое образует непрямой угол наклона по отношению к верхнему краю и/или нижнему краю структурированного насадочного листа, причем структурированные насадочные листы сконструированы и расположены таким образом, что гофры смежных структурированных насадочных листов проходят под непрямым углом друг к другу. Структурированный насадочный модуль дополнительно включает в себя текстурирование поверхности на структурированных насадочных листах, содержащее сетку вогнутых и выпуклых структур в объемной области, при этом каждая вогнутая структура отделена от некоторых или всех из смежных вогнутых структур с помощью выпуклых структур, а выпуклые структуры образуют ряды пиков и соединительных седловин, и микроканалы, которые проходят вдоль смежных вогнутых структур и соединительных седловин, расположенных между каждой из смежных вогнутых структур. Микроканалы пересекают впадины гофров под углом в диапазоне от 20 до 75 градусов.

[00010] В другом аспекте настоящее изобретение относится к структурированному насадочному листу, используемому в описанном выше структурированном насадочном модуле.

[00011] В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к структурированному насадочному листу, содержащему противолежащие грани, верхний край, нижний край, объемную область между верхним краем и нижним краем, гофры, образованные чередующимися пиками и впадинами, которые соединены боковыми стенками гофра и проходят в наклонном направлении, образующем непрямой угол наклона относительно верхнего края и/или нижнего края, и отверстия. Структурированный насадочный лист дополнительно включает в себя текстурирование поверхности на структурированных насадочных листах, содержащее параллельные канавки в области верхнего края, смежной с верхним краем, и области нижнего края, смежной с нижним краем, параллельные сегменты канавок в объемной области, которые расположены наклонно относительно верхнего и нижнего краев, сетку вогнутых и выпуклых структур в объемной области, охватывающую от 70 до 95 процентов от общей площади поверхности структурированного насадочного листа, при этом каждая вогнутая структура отделена от некоторых или всех из смежных вогнутых структур с помощью выпуклых структур, а выпуклые структуры образуют ряды пиков и соединительных седловин, причем вогнутые структуры упорядочены в параллельные ряды с соединительными седловинами выпуклых структур, соединяющих друг с другом смежные вогнутые структуры внутри каждого ряда, и микроканалы, которые проходят вдоль смежных вогнутых структур и соединительных седловин, расположенных между каждой из смежных вогнутых структур.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[00012] На сопроводительных графических материалах, являющихся частью описания, на которых одинаковые компоненты на разных видах указаны под одинаковыми номерами позиций, представлено следующее:

[00013] на ФИГ. 1 представлен фрагментарный вид сбоку в вертикальной проекции массообменной колонны с царгой колонны для отображения структурированных насадочных слоев настоящего изобретения, расположенных в многослойной конструкции внутри колонны;

[00014] на ФИГ. 2 представлен вид сбоку в перспективе четырех гофрированных структурированных насадочных листов, которые образуют часть структурированного насадочного модуля и имеют отверстия, а также представлен вариант осуществления текстурирования поверхности, содержащего сетку вогнутых и выпуклых структур, причем текстурирование поверхности показано только в некоторых частях листов для облегчения визуального отображения и понимания, но может по существу покрывать все листы;

[00015] на ФИГ. 3 представлен вид спереди в перспективе плоского листа материала до того, как он подвергнется операции гофрирования для формирования гофров, причем лист материала имеет отверстия, в нем реализован вариант осуществления текстурирования поверхности, содержащего сетку вогнутых и выпуклых структур;

[00016] на ФИГ. 4 представлен вид сбоку в перспективе четырех гофрированных структурированных насадочных листов, которые формируют часть структурированного насадочного модуля и имеют отверстия, а также показан вариант осуществления текстурирования поверхности, содержащего канавки и сегменты канавок;

[00017] на ФИГ. 5 представлен вид спереди в перспективе плоского листа материала до того, как он подвергнется операции гофрирования для формирования гофров, причем лист материала имеет отверстия, в нем реализован вариант осуществления текстурирования поверхности, содержащего канавки, сегменты канавок и сетку вогнутых и выпуклых структур;

[00018] ФИГ. 6 представляет собой увеличенный фрагментарный вид варианта осуществления сетки вогнутых и выпуклых структур, содержащих пики и впадины конической формы;

[00019] на ФИГ. 6а представлен вид в поперечном сечении по линии 6а-6а, показанной на ФИГ. 6;

[00020] на ФИГ. 6b представлен вид в поперечном сечении по линии 6b-6b, показанной на ФИГ. 6;

[00021] ФИГ. 7 представляет собой увеличенный фрагментарный вид варианта осуществления сетки вогнутых и выпуклых структур, содержащих пики и впадины в форме растянутых гребней;

[00022] на ФИГ. 7а представлен вид в поперечном сечении по линии 7а-7а, показанной на ФИГ. 7;

[00023] на ФИГ. 7b представлен вид в поперечном сечении по линии 7b-7b, показанной на ФИГ. 7;

[00024] на ФИГ. 8 представлен увеличенный фрагментарный вид варианта осуществления сетки вогнутых и выпуклых структур, содержащих пики и впадины конической формы и имеющих более высокие седловины между рядами пиков и более низкие седловины между столбцами пиков;

[00025] на ФИГ. 8а представлен вид в поперечном сечении по линии 8а-8а, показанной на ФИГ. 8; и

[00026] на ФИГ. 8b представлен вид в поперечном сечении по линии 8b-8b, показанной на ФИГ. 8;

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[00027] Как более подробно показано на чертежах, начиная с ФИГ. 1, массообменная колонна, подходящая для применения в массообменном и теплообменном процессах, обозначена по существу номером 10. Массообменная колонна 10 включает в себя вертикальную наружную царгу 12, которая имеет по существу цилиндрическую конфигурацию, хотя возможны другие конфигурации, включая многоугольную, и они входят в объем настоящего изобретения. Царга 12 может иметь любые подходящие диаметр и высоту и может быть изготовлена из одного или более жестких материалов, которые желательно являются инертными или иным образом совместимыми с текучими средами и условиями, возникающими при работе массообменной колонны 10.

[00028] Царга 12 массообменной колонны 10 задает определяет внутреннюю область 14, в которой происходит требуемый массо- и/или теплообмен между потоками текучих сред. Обычно потоки текучих сред содержат один или более восходящих потоков пара и один или более нисходящих потоков жидкости. В альтернативном варианте осуществления потоки текучей среды могут содержать как восходящие, так и нисходящие потоки жидкости. Потоки текучей среды направляются в массообменную колонну 10 по любому числу питающих линий (не показаны), расположенных в соответствующих местах по высоте массообменной колонны 10. Один или более потоков пара могут также формироваться внутри массообменной колонны 10, вместо того, чтобы вводиться в массообменную колонну 10 через питающие линии. Массообменная колонна 10 также, как правило, включает в себя линию верхнего продукта (не показана) для удаления парообразного продукта или побочного продукта и нижнюю отводную линию потока (не показана) для удаления жидкого продукта или побочного продукта из массообменной колонны 10. Другие обычно присутствующие компоненты колонны, такие как питающие точки, боковые отводы, линии потока флегмы, ребойлеры, конденсаторы, паровые горны, распределители жидкости и т.п., не проиллюстрированы на фигурах, поскольку, как предполагается, иллюстрация этих компонентов не является необходимой для понимания настоящего изобретения.

[00029] В соответствии с настоящим изобретением один или более структурированных насадочных слоев 16, содержащих отдельные структурированные насадочные листы 18, расположены внутри открытой внутренней области 14 и проходят через горизонтальное внутреннее поперечное сечение массообменной колонны 10. В проиллюстрированном варианте осуществления четыре структурированных насадочных слоя 16 размещены стопкой вертикально друг относительно друга, но следует понимать, что может быть предусмотрено большее или меньшее количество структурированных насадочных слоев 16. В одном варианте осуществления каждый из структурированных насадочных слоев 16 сформирован в виде единого структурированного насадочного модуля, который проходит полностью через горизонтальное внутреннее поперечное сечение колонны 10. В другом варианте осуществления каждый структурированный насадочный слой 16 образован в виде множества отдельных структурированных насадочных модулей (не показаны), называемых блоками, которые расположены торец к торцу и бок о бок друг с другом для заполнения горизонтального внутреннего поперечного сечения массообменной колонны 10.

[00030] Каждый из структурированных насадочных слоев 16 надлежащим образом поддерживается внутри массообменной колонны 10, например, на опорном кольце (не показано), прикрепленном к царге 12, на нижележащем из структурированных насадочных слоев 16 или с помощью сетки или другой приемлемой несущей конструкции. В одном варианте осуществления самый нижний структурированный насадочный слой 16 поддерживается на несущей конструкции, а вышележащие структурированные насадочные слои 16 уложены стопкой друг на друга и поддерживаются самым нижним структурированным насадочным слоем 16. Последовательные структурированные насадочные слои 16 обычно повернуты относительно друг друга так, что отдельные структурированные насадочные листы 18 в одном из насадочных слоев 16 расположены в вертикальных плоскостях, проходящих под углом относительно вертикальных плоскостей, заданных отдельными структурированными насадочными листами 18 в смежном (-ых) насадочном (-ых) слое (-ях) 16. Угол поворота обычно составляет 45 или 90 градусов, но при необходимости может быть другим. Высота каждого структурированного насадочного элемента 16 может варьироваться в зависимости от конкретного применения. В одном варианте осуществления высота находится в диапазоне от приблизительно 50 до приблизительно 400 мм.

[00031] Структурированные насадочные листы 18 в каждом структурированном насадочном слое 16 расположены вертикально и параллельно друг другу. Каждый из структурированных насадочных листов 18 изготовлен из подходящего жесткого материала, такого как любой из различных металлов, пластмасс или керамики, обладающих достаточной прочностью и толщиной, чтобы выдерживать условия обработки, возникающие в массообменной колонне 10.

[00032] Как дополнительно показано на ФИГ. 2, каждый из структурированных насадочных листов 18 имеет противолежащие переднюю и заднюю грани 20 и 22, противолежащие верхний и нижний края 24 и 26 и противолежащие боковые края 28 и 30. Каждый из структурированных насадочных листов 18 имеет множество параллельных гофров 32, которые проходят вдоль части или всего соответствующего структурированного насадочного листа 18. Гофры 32 образованы чередующимися пиками 34, впадинами 36 и боковыми стенками 38 гофра, которые проходят между смежными пиками 34 и впадинами 36. Пики 34 на передней грани 20 каждого структурированного насадочного листа 18 образуют впадины 36 на противоположной или задней грани 22 структурированного насадочного листа 18. Аналогичным образом впадины 36 на передней грани 20 каждого структурированного насадочного листа 18 образуют пики 34 на задней грани 22 структурированного насадочного листа 18.

[00033] В показанных на фигурах вариантах осуществления гофры 32 каждого из структурированных насадочных листов 18 проходят по всей высоте и ширине структурированного насадочного листа 18 и по существу имеют треугольное или синусоидальное поперечное сечение. Смежные структурированные насадочные листы 18 в каждом структурированном насадочном слое 16 расположены обращенными друг к другу таким образом, что передняя грань 20 одного из структурированных насадочных листов 18 обращена к задней грани 22 смежного структурированного насадочного листа 18. Смежные структурированные насадочные листы 18 дополнительно расположены таким образом, что гофры 32 в каждом из структурированных насадочных листов 18 проходят крест-накрест или поперечно-гофрированно к гофрам 32 в смежном (-ых) структурированном (-ых) насадочном (-ых) листе (-ах) 18. В результате такой конфигурации гофры 32 в каждом из структурированных насадочных листов 18 проходят под непрямым углом к гофрам каждого из смежных структурированных насадочных листов 18. Некоторые, все или ни один из пиков 34 гофров 32 передней грани 20 каждого из структурированных насадочных листов 18 могут находиться в контакте с пиками 34 на задней грани 22 одного из смежных структурированных насадочных листов 18.

[00034] Гофры 32 наклонены в направлении, которое формирует угол наклона относительно верхнего и/или нижнего краев 24 и 26 структурированного насадочного листа 18. Угол наклона может выбираться в соответствии с требованиями конкретных вариантов применения, в которых должны использоваться структурированные насадочные листы 18. В одном варианте осуществления угол наклона может находиться в диапазоне от 25 до 75 градусов. Конкретные примеры углов наклона составляют приблизительно 30°, приблизительно 45° и приблизительно 60°. Поскольку верхний и нижний края 24 и 26 структурированных насадочных листов 18 расположены перпендикулярно по отношению к вертикальной оси массообменной колонны 10, гофры 32 также наклонены относительно вертикальной оси массообменной колонны 10.

[00035] Пики 34, впадины 36 и боковые стенки 38 гофров 32 обычно формируют в автоматизированном процессе гофрирования путем подачи плоского листа 39, такого как показанный на ФИГ. 3, в пресс для гофрирования. Пики 34 и впадины 36 по существу выполнены в виде изогнутых дуг, которые могут быть определены радиусом вершины. Как правило, по мере увеличения радиуса вершины дуга кривизны пиков 34 и впадин 36 увеличивается, а длина боковых стенок 38 гофра между пиками 34 и впадинами 36, наоборот, уменьшается для данной удельной площади поверхности. Две боковые стенки 38 каждого гофра 32 образуют угол вершины. Радиус вершины, угол вершины, высота гофрировки насадки и длина от пика 34 до пика 34 взаимосвязаны и могут изменяться для достижения желаемой геометрии и удельной площади поверхности. Как правило, по мере уменьшения высоты гофрировки происходит увеличение количества структурированных насадочных листов 18, содержащихся в каждом структурированном насадочном слое 16 (или модуле) и связанной с ним удельной площади поверхности.

[00036] Некоторые или все из структурированных насадочных листов 18 могут быть снабжены множеством отверстий 40, которые проходят через структурированный насадочный лист 18 для облегчения распределения пара и жидкости внутри структурированного насадочного слоя 16. Каждое отверстие 40 обеспечивает открытую зону для создания возможности прохождения текучей среды через соответствующий насадочный лист 18. Отверстия 40 обычно равномерно распределены на структурированных насадочных листах 18.

[00037] Передняя и/или задняя грани 20 и 22 структурированных насадочных листов 18 содержат один или более различных типов текстурирования поверхности для облегчения распределения и, таким образом, максимального увеличения контакта между восходящими и нисходящими потоками текучей среды. В одном варианте осуществления, как показано на ФИГ. 2, текстурирование поверхности содержит сетку вогнутых структур 44 и выпуклых структур 46 в объемной области передней и задней граней 20 и 22 структурированных насадочных листов 18. На ФИГ. 2 показаны только несколько типичных областей сетки вогнутых и выпуклых структур 44 и 46, чтобы можно было легко видеть гофры 32, но следует понимать, что сетка может покрывать всю площадь поверхности структурированного насадочного листа 18 или ее достаточные части для достижения желаемой эффективности массообмена. Объемная область в одном варианте осуществления расположена между верхним и нижним краями 24 и 26 структурированного насадочного листа 18.

[00038] Каждая вогнутая структура 44 отделена от некоторых или всех смежных вогнутых структур 44 с помощью выпуклых структур 46. Вогнутые структуры 44 упорядочены в параллельные ряды и могут быть расположены в виде квадратного, ромбовидного, треугольного или другого рисунка. Выпуклые структуры 46 содержат пики 48 и соединительные седловины 50. Пики 48 могут иметь по существу коническую форму, как показано на ФИГ. 6, 6а и 6b и 8, 8а и 8b, или могут быть растянутыми для образования гребнеобразных форм, как показано на ФИГ. 7, 7а, 7b. Возможны и другие формы и/или конфигурации, которые входят в объем настоящего изобретения. Как правило, по меньшей мере некоторые части выпуклых структур 46 на передней грани 20 образованы по меньшей мере некоторыми частями вогнутых структур 44 на задней грани 22, и наоборот. Таким образом, каждый из конусообразных пиков 48 может быть образован конической оконечностью одной из вогнутых структур 44 на противолежащей грани 20 или 22 структурированного насадочного листа 18. Аналогичным образом каждый из гребнеобразных пиков 48 может быть образован гребнеобразной оконечностью одной из вогнутых структур 44 на противолежащей грани 20 или 22 структурированного насадочного листа 18.

[00039] Текстурирование поверхности включает в себя микроканалы, которые обозначены стрелками 52 и проходят вдоль смежных вогнутых структур 44 и соединительных седловин 50 выпуклых структур 46, расположенных между смежными вогнутыми структурами 44. Эти микроканалы 52 пересекают, а не проходят параллельно или в значительной степени параллельно впадинам 36 гофров для облегчения распределения жидкости через переднюю и заднюю грани 20 и 22 структурированных насадочных листов 18. Угол пересечения микроканалов 52 к верхнему и/или нижнему краям 24 и 26 структурированного насадочного листа 18 и, следовательно, ориентация микроканалов 52 относительно впадин 36 гофров выбираются для оптимизации распределения жидкости на передней и задней гранях 20 и 22.

[00040] В одном варианте осуществления микроканалы 52 пересекают впадины 36 гофров под углом в диапазоне от 20 до 75 градусов, причем угол пересечения понимается как наименьший из возможных углов пересечения, образованных между впадинами 36 гофров и микроканалами 52. В других вариантах осуществления угол может находиться в диапазоне от 25 до 70 градусов или от 30 до 65 градусов. Как видно из варианта осуществления, показанного на ФИГ. 3, пересекающие микроканалы 52 могут быть ориентированы по существу параллельно верхнему и нижнему краям 24 и 26 и боковым краям 28 и 30 соответственно в плоском листе 54 материала до того, как он будет подвергнут операциям гофрирования с образованием одного из гофрированных структурированных насадочных листов 18.

[00041] Два из микроканалов 52 проходят наклонно относительно друг друга на каждой вогнутой структуре 44 под углом пересечения. Угол пересечения в одном варианте осуществления может находиться в диапазоне от 50 до 140 градусов. В других вариантах осуществления угол пересечения может находиться в диапазоне от 70 до 130 градусов или от 85 до 95 градусов. Микроканалы 52 могут проходить линейно, как показано на ФИГ. 6, зигзагообразно, как показано на ФИГ. 7, или другим образом, как показано на ФИГ. 8. Например, в варианте осуществления, показанном на ФИГ. 8, соединительные седловины 50 выпуклых структур 46 выше между рядами пиков 48, которые образуют большую часть барьера для протекания текучей среды, и ниже между столбцами пиков 48, которые образуют меньший барьер для потока текучей среды, так что большее количество текучей среды поступает в микроканалы 52 между рядами пиков 48.

[00042] В другом варианте осуществления текстурирование поверхности содержит один или более рядов параллельных канавок 56, как показано на ФИГ. 4, в одной или обеих из области верхнего края, смежной с верхним краем 24, и области нижнего края, смежной с нижним краем 26 структурированного насадочного листа 26. Канавки 56 служат для распределения жидкости в боковом направлении по мере ее поступления из структурированного насадочного слоя 16 вверху и в процессе подачи в структурированный насадочный слой 16 внизу. Ряды канавок 56 выровнены с верхним краем 24 и нижним краем 26 и могут непрерывно проходить между боковыми краями 28 и 30. Канавки 56 могут быть волнообразными или иными нелинейными для облегчения бокового распределения жидкости даже в ситуациях, когда верхний и нижний края 24 и 26 не проходят в точности горизонтально из-за ошибки изготовления или неточной установки структурированного насадочного слоя 16. Благодаря расположению канавок 56 в области верхнего края любое неправильное распределение жидкости, поступающей из одного структурированного насадочного слоя 16 в другой, может быть частично или полностью устранено. Аналогичным образом расположение канавок 56 в области нижнего края служит для исправления любого неправильного распределения жидкости до ее спускания из одного структурированного насадочного слоя 16 в другой структурированный насадочный слой.

[00043] В одном варианте осуществления канавок 56 они приблизительно соответствуют синусоидальной волне малой амплитуды. Количество канавок 56 в области верхнего края может быть таким же или отличным от их числа в области нижнего края. В одном варианте осуществления число рядов канавок 56 находится в диапазоне от 1 до 10 в каждом из верхнего и нижнего краев.

[00044] В другом варианте осуществления текстурирования поверхности канавки 56 могут использоваться в комбинации с сеткой вогнутых и выпуклых структур 44 и 46 или в комбинации с любым другим типом традиционных или нетрадиционных структур или с другим текстурированием поверхности. Сетка вогнутых и выпуклых структур 44 и 46 по существу имеет более высокую эффективность массообмена, чем канавки 56, и большая часть площади поверхности структурированных насадочных листов 18 может содержать вогнутые и выпуклые структуры 44 и 46. В одном варианте осуществления вогнутые и выпуклые структуры 44 и 46 покрывают от 70 до 95 процентов общей площади поверхности структурированных насадочных листов 18, а канавки покрывают от 5 до 30 процентов общей площади поверхности.

[00045] В дополнительном варианте осуществления текстурирования поверхности в объемной области могут располагаться одна или более областей рядов параллельных сегментов 58 канавок для облегчения коррекции любого нарушения распределения жидкости по мере ее протекания через объемную область. В одном варианте осуществления эти сегменты 58 канавок ориентированы таким образом, что они проходят наклонно относительно верхнего и/или нижнего края 24 или 26 структурированного насадочного листа 18. Сегменты 58 канавок ориентированы по отношению к верхнему и/или нижнему краю 24 или 26. В одном варианте осуществления сегменты 58 канавок ориентированы под углом от 0 до 25 градусов, от 5 до 15 градусов или от 7 до 10 градусов относительно верхнего и/или нижнего края 24 или 26. Число рядов параллельных сегментов канавок находится в диапазоне от 1 до 10, а число областей, содержащих ряды параллельных сегментов 58 канавок, находится в диапазоне от 1 до 5. Сегменты 58 канавок могут использоваться в некоторых вариантах применения в комбинации с сеткой вогнутых и выпуклых структур 44 и 46 и с канавками 56. В других вариантах применения сегменты 58 канавок могут использоваться только с сеткой вогнутых и выпуклых структур 44 и 46. В этих вариантах применения области сегментов 58 канавок могут занимать от 5 до 30 процентов площади поверхности объемной области, которая в ином случае была бы занята вогнутыми и выпуклыми структурами 44 и 46.

[00046] В одном варианте осуществления нижний край 26 структурированного насадочного листа 18 также может содержать зубчатый профиль для облегчения распределения жидкости.

[00047] Из вышесказанного следует, что настоящее изобретение является одним хорошо приспособленным для решения всех задач и достижения целей, указанных выше в настоящем документе, а также обладает другими преимуществами, присущими структуре.

[00048] Следует понимать, что некоторые признаки и подкомбинации являются полезными и могут быть использованы без ссылки на другие признаки и подкомбинации. Это предполагается объемом изобретения и входит в его состав.

[00049] Поскольку в рамках объема изобретения могут быть выполнены многочисленные возможные варианты осуществления, следует понимать, что все объекты, описанные в настоящем документе или показанные на сопроводительных чертежах, следует воспринимать в иллюстративном, а не ограничивающем смысле.

Изобретение предназначено для тепломассообмена. Структурированный насадочный модуль содержит множество структурированных насадочных листов, расположенных вертикально и параллельно друг другу, причем каждый структурированный насадочный лист имеет противолежащие грани, верхний край, нижний край, объемную область между верхним краем и нижним краем и гофры, образованные чередующимися пиками и впадинами, которые соединены боковыми стенками гофра и проходят в наклонном направлении, которое образует непрямой угол наклона по отношению к верхнему краю и/или нижнему краю структурированного насадочного листа. Структурированные насадочные листы сконструированы и расположены таким образом, что гофры смежных структурированных насадочных листов проходят под непрямым углом друг к другу. Гофрированный структурированный насадочный лист имеет текстурирование поверхности, которое может быть выполнено в виде сетки вогнутых и выпуклых структур. Каждая вогнутая структура отделена от некоторых или всех смежных вогнутых структур с помощью выпуклых структур. Выпуклые структуры образуют ряды пиков и соединительных седловин. Микроканалы проходят вдоль смежных вогнутых структур и соединительных седловин и пересекают впадины гофров под углом в диапазоне от 20 до 75 градусов. Текстурирование поверхности может представлять собой или включать в себя волнообразные параллельные канавки в области верхнего края, смежной с верхним краем, и области нижнего края, смежной с нижним краем, а также может представлять собой или включать в себя параллельные сегменты канавок в объемной области, которые ориентированы наклонно к верхнему и нижнему краям структурированного насадочного листа. Технический результат: обеспечение более равномерного распределения жидкости по структурированным поверхностям насадки, увеличивая активную и эффективную площадь поверхности, на которой происходит взаимодействие жидкости и пара, в результате чего достигается увеличение эффективности массообмена. 3 н. и 37 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Структурированный насадочный модуль, содержащий:

множество структурированных насадочных листов, расположенных вертикально и параллельно друг другу, причем каждый структурированный насадочный лист имеет противолежащие грани, верхний край, нижний край, объемную область между верхним краем и нижним краем и гофры, образованные чередующимися пиками и впадинами, которые соединены боковыми стенками гофра и проходят в наклонном направлении, которое образует непрямой угол наклона по отношению к верхнему краю и/или нижнему краю структурированного насадочного листа, причем структурированные насадочные листы сконструированы и расположены таким образом, что гофры смежных структурированных насадочных листов проходят под непрямым углом друг к другу, и

текстурирование поверхности на структурированных насадочных листах,

включающее в себя:

сетку вогнутых и выпуклых структур в объемной области, при этом каждая вогнутая структура отделена от некоторых или всех смежных вогнутых структур с помощью выпуклых структур, причем выпуклые структуры образуют ряды пиков и соединительных седловин, и

микроканалы, которые проходят вдоль смежных вогнутых структур и соединительных седловин, расположенных между каждой из смежных вогнутых структур, причем микроканалы пересекают впадины гофров под углом в диапазоне от 20 до 75 градусов.

2. Структурированный насадочный модуль по п. 1, в котором текстурирование поверхности включает в себя параллельные канавки в одной или обеих из области верхнего края, смежной с верхним краем, и области нижнего края, смежной с нижним краем.

3. Структурированный насадочный модуль по п. 2, в котором параллельные канавки являются волнообразными и присутствуют как в области верхнего края, так и в области нижнего края.

4. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-3, в котором вогнутые структуры упорядочены в параллельные ряды с соединительными седловинами выпуклых структур, соединяющих смежные вогнутые структуры внутри каждого ряда.

5. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-4, в котором каждый из пиков выпуклых структур имеет коническую форму и образован конической оконечностью одной из вогнутых структур на противолежащей грани структурированного насадочного листа.

6. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-4, в котором каждый из пиков выпуклых структур имеет гребнеобразную форму и образован гребнеобразной оконечностью одной из вогнутых структур на противолежащей грани структурированного насадочного листа.

7. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-6, в котором микроканалы пересекают впадины гофров под углом в диапазоне от 25 до 70 градусов.

8. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-7, в котором два из микроканалов проходят наклонно относительно друг друга на каждой вогнутой структуре под углом пересечения, который находится в диапазоне от 50 до 140 градусов.

9. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-8, в котором угол пересечения находится в диапазоне от 70 до 130 градусов.

10. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-9, в котором микроканалы проходят линейно.

11. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-9, в котором микроканалы проходят зигзагообразно.

12. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-11, в котором текстурирование поверхности включает в себя параллельные сегменты канавок в объемной области, которые ориентированы наклонно к верхнему и нижнему краям.

13. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-12, в котором нижние края являются зубчатыми.

14. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-13, включающий в себя отверстия в структурированных насадочных листах.

15. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-14, в котором каждая вогнутая структура отделена от всех смежных вогнутых структур с помощью выпуклых структур.

16. Структурированный насадочный модуль по любому из пп. 1-15, в котором сетка вогнутых и выпуклых структур покрывает от 70 до 95 процентов общей площади поверхности каждого структурированного насадочного листа.

17. Структурированный насадочный лист, содержащий:

противолежащие грани, верхний край, нижний край, объемную область между верхним краем и нижним краем и гофры, образованные чередующимися пиками и впадинами, которые соединены боковыми стенками гофра и проходят в наклонном направлении, образующем непрямой угол наклона относительно верхнего края и/или нижнего края, и

текстурирование поверхности на структурированных насадочных листах, включающее в себя:

сетку вогнутых и выпуклых структур в объемной области, при этом каждая вогнутая структура отделена от некоторых или всех смежных вогнутых структур с помощью выпуклых структур, причем выпуклые структуры образуют ряды пиков и соединительных седловин, и

микроканалы, которые проходят вдоль смежных вогнутых структур и соединительных седловин, расположенных между каждой из смежных вогнутых структур, причем микроканалы пересекают впадины гофров под углом в диапазоне от 20 до 75 градусов.

18. Структурированный насадочный лист по п. 17, в котором текстурирование поверхности включает в себя параллельные канавки в одной или обеих из области верхнего края, смежной с верхним краем, и области нижнего края, смежной с нижним краем.

19. Структурированный насадочный лист по п. 18, в котором параллельные канавки являются волнообразными и присутствуют как в области верхнего края, так и в области нижнего края.

20. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-19, в котором вогнутые структуры упорядочены в параллельные ряды с соединительными седловинами выпуклых структур, соединяющих друг с другом смежные вогнутые структуры внутри каждого ряда.

21. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-20, в котором каждый из пиков выпуклых структур имеет коническую форму и образован конической оконечностью одной из вогнутых структур на противолежащей грани структурированного насадочного листа.

22. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-20, в котором каждый из пиков выпуклых структур имеет гребнеобразную форму и образован гребнеобразной оконечностью одной из вогнутых структур на противолежащей грани структурированного насадочного листа.

23. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-22, в котором микроканалы пересекают впадины гофров под углом в диапазоне от 25 до 70 градусов.

24. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-23, в котором два из микроканалов проходят наклонно относительно друг друга на каждой вогнутой структуре под углом пересечения, который находится в диапазоне от 50 до 140 градусов.

25. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-24, в котором микроканалы проходят линейно.

26. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-24, в котором микроканалы проходят зигзагообразно.

27. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-26, в котором текстурирование поверхности включает в себя параллельные сегменты канавок в объемной области, которые ориентированы наклонно к верхнему и нижнему краям.

28. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-27, в котором нижние края являются зубчатыми.

29. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-28, включающий в себя отверстия в структурированных насадочных листах.

30. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-29, в котором каждая вогнутая структура отделена от всех смежных вогнутых структур с помощью выпуклых структур.

31. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 17-30, в котором сетка вогнутых и выпуклых структур покрывает от 70 до 95 процентов общей площади поверхности структурированного насадочного листа.

32. Структурированный насадочный лист, содержащий:

противолежащие грани, верхний край, нижний край, объемную область между верхним краем и нижним краем, гофры, образованные чередующимися пиками и впадинами, которые соединены боковыми стенками гофра и проходят в наклонном направлении, образующем непрямой угол наклона относительно верхнего края и/или нижнего края, и отверстия; и

текстурирование поверхности на структурированных насадочных листах, включающее в себя:

параллельные канавки в области верхнего края, смежной с верхним краем, и области нижнего края, смежной с нижним краем;

параллельные сегменты канавок в объемной области, которые ориентированы наклонно к верхнему и нижнему краям;

сетку вогнутых и выпуклых структур в объемной области, охватывающую от 70 до 95 процентов от общей площади поверхности структурированного насадочного листа, при этом каждая вогнутая структура отделена от некоторых или всех из смежных вогнутых структур с помощью выпуклых структур, а выпуклые структуры образуют ряды пиков и соединительных седловин, причем вогнутые структуры упорядочены в параллельные ряды с соединительными седловинами выпуклых структур, соединяющих друг с другом смежные вогнутые структуры внутри каждого ряда; и

микроканалы, которые проходят вдоль смежных вогнутых структур и соединительных седловин, расположенных между каждой из смежных вогнутых структур.

33. Структурированный насадочный лист по п. 32, в котором параллельные канавки являются волнообразными и выровнены с верхним краем и нижним краем.

34. Структурированный насадочный лист по п. 32 или 33, в котором каждый из пиков выпуклых структур имеет коническую форму и образован конической оконечностью одной из вогнутых структур на противолежащей грани структурированного насадочного листа.

35. Структурированный насадочный лист по п. 32 или 33, в котором каждый из пиков выпуклых структур имеет гребнеобразную форму и образован гребнеобразной оконечностью одной из вогнутых структур на противолежащей грани структурированного насадочного листа.

36. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 32-35, в котором два из микроканалов проходят наклонно относительно друг друга на каждой вогнутой структуре под углом пересечения, который находится в диапазоне от 15 до 140 градусов.

37. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 32-36, в котором микроканалы проходят линейно.

38. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 32-36, в котором микроканалы проходят зигзагообразно.

39. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 32-38, в котором нижние края являются зубчатыми.

40. Структурированный насадочный лист по любому из пп. 32-39, в котором микроканалы пересекают впадины гофров под углом в диапазоне от 20 до 75 градусов.