Регулярная насадка Советский патент 1987 года по МПК B01D53/20 

1 . 3

Изобретение относится к химической и другим отраслям промьшшенности и может быть использовано для проведения массообменных процессов в сис- темэк газ (пар) - жидкость.

Целью изобретения является повышение эффективности работы насадки за счет обеспечения равенства скоростей газа в ее каналах, снижение гидравлического сопротивления.

На фиг. 1 изображена регулярная насадКа, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.З - труба с двусторонними локальными пережимами в аксонометрической проекции; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг.З; на фиг. 6 - сечение Г-Г на фиг.З; на фиг. 7 - схема расчета шага.

Регулярная насадка (фиг, 1-3) размещенная в корпусе 1, содержит вертикально расположенные трубы 2, установленные относительно друг друга с зазором, причем шаг размещения труб определен по формуле

,35T|dJd«-S) ,

(1)

где d - наружньм диаметр труб, о - толщина стенки труб.

Дпя дальнейшего повышения эффективности работы каждая труба по всей длине вьтолнена с двусторонними локальными пережимами, каждьй последующий пережим выполнен повернутым относительно предыдущего на угол 90 причем большая ось овала в сечении двустороннего локального пережима . трубы больше ее наружного диаметра и меньше расстояния межд наружными поверхностями соседних с нею труб.

Кроме того, каждая труба 2 по всей длине вьтолнена с двусторонними локальными пережимами (фиг. 3), каждый последующий пережим выполнен повернутым относительно предыдущего на угол , причем большая ось овала в сечении двустороннего локального пережима трубы больше ее наружного диаметра и меньше расстояния наружными поверхностями соседних с нею труб.

Регулярная насадка работает следующим образом.

Жидкость с помощью распределителей и газ подают сверху. При их взаимодействии получают газожидкостную смесь, которая, двигаясь сверху вниз

92

с одинаковой скоростью поступает в трубы 2 и межтрубные каналы. Газ от- брасьшает частицы жидкости на внутреннюю и наружную поверхности труб 2 за счет того, что его скорость во много раз больше, чем скорость жидкости (предлагаемая насадка устойчиво работает пр« скорости газа до 5060 м/с). При этом на внутренней и наружной поверхностях труб 2 образуется пленка жидкости, взаимодействующая с газовой фазой,

Кроме того, жидкость, стекая пленкой по цилиндрическому участку трубы 2 с двусторонними локальньми пережимами, срьгеается потоком газа с их кромок и диспергируется на капли, что приводит к увеличению поверхности контакта фаз и обновлению межфазной поверхности, а значит, и к дальнейшему повышению эффективности работы аппарата. Угол поворота соседних по высоте трубы пережимов выполнен

равным 90°, что обеспечивает наиболее полное перераспределение пленки жидкости по поверхности трубы при переходе очередного пережима, наиболее интенсивную турбулизацию и обновление поверхности контакта фаз.

Насадка данной конструкции успешно работает в режиме восходящего прямотока,, и противотока.

Местные сопротивления деления газового потока на входе в насадку и слияния отдельных потоков на выходе из нее имеют значительную величину при различных скоростях газа в каналах насадки.

В предлагаемой насадке скорости газа в ее каналах одинаковы. В этих условиях гидравлические сопротивления деления и слияния потоков близки к нулю и определяющим является . сопротивление трения в каналах насад

ки.

50

Гидравлическое сопротивление насадки должно быть равно- гидравлическому сопротивлению каждого канала. Поэтому

ьР.р, йРтр, . (2) Подставляя в условие (2) уравне- ние Дарси-Вейсбаха, получаем

5

Л

где

Э1

7,, ,

p,w

Г

(3)

d,i 2 - коэффициенты сопротивления трения каналов насадки;

d,, d,,

. P-r

у

1 - длина труб или высота нсадки;

эквивалентные дилметры межтрубного и трубного каналов; плотность газа; относительные скорости газа в каналах насадки (индекс 1 относится к межтрубным каналам, индекс 2 - к трубным), Известно, что для квадратичной области турбулентного режима коэффициент сопротивления трения являе ся постоянным Л, .. Тогда из ура нения (3) получаем

W,

W,

.d, -i (A)

Из выражения (4) следует, что

1

или w,W2 при

ill- -;

Таким образом, условием равенства скоростей газа в каналах насадки является равенство их эквивалентных диаметров

1-)

(5)

Нетрудно доказать, что равенство (5) является условием равенства скоростей газа в каналах насадки и при турбулентном режиме, описываемым уравнением Блазиуса.

Принимаем размещение труб по вершинам равносторонних треугольников. Для удобства расчета рассмотрим раз- .мещение трех трубок в вершинах равностороннего треугольника (фиг., 4).

Площадь треугольника равняется

11 - о лГТ г

S.0,00, 2 2 60 J- tПлощадь межтрубного простраЕ1ства выбранного треугольника определяется как разность площади треугольника и наружных поверхностей труб, входящих в треугольник

с -с 1 S - t - i iiAL ABCDEP ЛО.ОО 2 f 4 2 4

Площадь ссгдержит половиьгу сечения трубы и сечение фигуры ABCDEF. Следовательно, к целой трубе относится сечение межтрубного пространства, равное удвоенному сечению фигуры ABCDEF

- I 2

Эквивалентные диаметры трубы и межтрубного пространства определяются

2м.г 2 АБСПЕР

t 7d н

1639

d,r d ;

AS. .т Jk.T -ц

ч

4з

2 1Г d „

-1Г)

d,

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Согласно урарнеиию (5) получаем

d 243 r., 7d4

Решая последнее уравнение относительно t, получаем формулу (1).

Размещение труб 2 (фиг. 1-2) с шагом, определенным по формуле (1), позволяет повысить эффективность работ1 1 насадки за сч&т :1беспечения равенства скоростей газа в ее каналах, снизить гидравлическое сопротивление за счет увеличения живого сечения насадки и исключить местные сопротивления деления и сжатия потока на входе в насадку и слияния отдельных потоков на выходе из нее. Такая конструкция сасадки позволяет использовать для массообмена трубные и мел трубпые каналы.

Каждая труба 2 по всей длине вы- полне 1а с двусторонними локальными пережимами (фиг. 3), каждый последующий пережим выполнен повернутым относительно предыдущего на угол 90 , причем большая ось овала в. сечении двустороннего локального пережима больше ее наружного диаметра и меньше расстояния между нар жньши поверхностями соседних с нею труб. Такая конструкция насадки при незначительном повьпиении ее гидравличес- кого сопротиплеиия позволяет повысить эффективност) работы насадки за счет турбулизации фаз, увеличения поверхности контакта фаз и обновления межфазной поверхности. Угол поворота соседних по высоте трубы пережимов выполнен равным 90 , что обеспечива-. ет наиболее полное перераспределение пленки жидкости по поверхности трубы при переходе очередного пережима, наиболее интенсивную турбулизацию и обновление поверхности контакта .

фаз.

)

Проведены исследования гидродинамики и массообмена .в аппарате с пред- латаемой насадкой (№ 1, табл. 1), с насадкой при плот ной упаковке труб (№ 2, табл. 1). Исследования проводили в режиме нисходящего прямотока в цилиндрическом корпусе из оргстекла внутренним диаметром 135 мм. Насадки изготоБлены из стеклянных трубок длиной 0,5 м. Характеристика насадок приведена в табл. 1.

Исследования предлагаемой насадки (№ 1) показали, что скорости газа в ее каналах практически одинаковы

(см. табл. 2), t

Результаты исследований гидродинамики сухой предлагаемой насадки (№ 1) и насадки при плотней упаковке труб (№ 2) приведены в табл. 3.

Д&нные табл. 3 пЬказывают, что гидравлическое сопротивление предлагаемой насаДки примерно в 1,5 раза меньше гидравлического сопротивления известной.

Для определения массообменных характеристик насадок проведены эксперименты по десорбции диоксида углерода из воды в воздух. По результатам опытов определяли эффективность десорбции (КПД аппарата) по формуле ,, Сви-Сбык

100 (%),

Bt

де

вх

С nhlV

Эффективность десорбции (1ШД аппарата), %i

концентрация диоксида углерода в воде на входе в насадку и выходе из нее, г/л.

Результаты некоторых опытов, пока- зывагопщх зависимость эффективности десорбции от скорости газа в колонне для предлагаемой насадки (№ 1) и насадки при плотной упаковке труб (№ 3) приведень в табл. 4.

Данные табл. 4 показывают, что в исследованном диапазоне скоростей эффективность десорбции предлагаемой насадки в среднем в,,34 раза выше, чем известной.

13,4/П 49

19/16

40

4,20

Таким образоМ; установка труб относительно друг друга с зазором таким, чтобы шаг из размещения был определен по формуле (1), обеспечива- ет равенство скоростей газа в трубах и межтрубных канала.х, увеличивает эффективность работы насадки и снижает ее гидравлическое сопротивление.

Кроме того, двусторонние локаль- ные пережимы позволяют интенсифицировать процесс массопередачи за счет турбулизации пленки жидкости и увеличения поверхности контакта фаз.

Формула изобретения

1; Регулярная насадка для тепло- , массообменньк аппаратов, содержащая вертикально расположенные трубы,

отличающаяся тем, что, с целью увеличения эффективности ее работы за счет обеспечения равенства скоростей Газа в каналах насадки и снижения гидравлического сопротивления, трубы установлен относительно друг друга с зазором, шаг размещения труб t определен по формуле

,35-id7d , где d - наружный диаметр труб;

S - толщина стенки трубы. 2. Насадка поп, 1,отличаю- щ а я с я . тем, что каждая труба по всей длине выполнена с двусторонними локальными пережимами, каждый после- дующий пережим выполнен повернутым относительно предьщущего на угол 90. , при этом большая ось овала в сечении двустороннего локального пережима трубы больше ее наружного диаметра и меньше расстояния между наружными поверхностями соседних с нею труб.

Т а б Jt и ц а 1

11 ;о

84,2

7,2 263

.,0

76

307

Расход газа в колонне,

121,7

Скорость

газа в

колонне, м/с 2,36

ЬР, Па, для насадкн: предлагаемой 7,4

21,2 360,5 462,2 581,0 924,4,

4,10 7,00 8,97

22,9 62,0 80,0

11,27 18,04

145,0 347,0

по прототипу 11,5 35,1 95,5 125,0 225,0 540

3,80 6,46 11,27 15,96 23,56

Табли.ца2

ТаблицйЗ

11,27 18,04

145,0 347,0

Та6лица4

L

(ffl/r.f

А-А

cpue.Z

L

д

tpt/e.S

6-В

фие.6

dft

фие.7

Составитель А. Сондор Редактор Н. Шньщкая Техред И.Верес Корректор Л. Пилипенко

Заказ 5517/6 Тираж 657Подписное

ВНИИ11И Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий П3035, Москва, Ж-35, Раушская наб. , д, 4/5

Пpoизвoдcтвeннo-п6лигpaфичec;koe предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4