Регулярная насадка Советский патент 1991 года по МПК B01J19/32 

Фиг.1

Изобретение относится к конструкции регулярных насадок для тепломассообмен- ных аппаратов с пленочно-капельным течением жидкости и может быть использовано для проведения различных процессов: абсорбции, ректификации,дистилляции,дезодорации, обработки воздуха различными растворами, телловлажностной обработки воздуха и др.

Цель изобретения - расширение диапазона устойчивой работы насадки и повышение эффективности тепломассообмена путем улучшения условий контактирования взаимодействующих фаз на нижних поверхностях лепестков.

На фиг 1 изображена предложенная насадка; на фиг,2 - вид А на фиг.1 (верхний ряд лепестков насадки), на фиг.З - вид Б на фиг.1; на фиг.4- отдельный лепесток в аксонометрической проекции; на фиг.5 - лепесток до выполнения в нем прогиба с образованием V-образных зубчатых выступов; на фиг.6 - лепесток с перфорациями, контуры которых лежат на линии, соединяющих края зубчатых впадин; на фиг.7 - вариант листа насадки с нечетным числом пар зубьев в отверстиях; на фиг.8 - вариант листа насадки с отверстиями, расположенными вертикальными рядами; на фиг.9 - смачивание нижней поверхности лепестков насадки при формировании; на фиг.10 - то же, при подвисании капель жидкости на нижних краях V-образных зубчатых выступов лепестков.

Регулярная насадка состоит из плоскопараллельных вертикальных листов 1 с выполненными в них продолговатыми зубчатыми отверстиями 2, которые расположены вертикальными рядами в шахматном порядке в смежных рядах. На фиг.1 правое нижнее отверстие показано без лепестка. Верхние и нижние горизонтальные края каждого отверстия имеют выступающие зубья 3, расположенные симметрично попарно друг напротив друга. Между зубьями и вертикальными краями отверстий имеются зазоры I.

Вертикальные края отверстий имеют посредине по одному выступу 4, углубленному внутрь отверстий на величину зазора I между краем отверстия и задним зубом. Шаг зубьев t3 укладывается целое число раз в шаге отверстий. Поэтому, несмотря на то, что отверстия в горизонтальных рядах сдвинуты, зубья всех рядов отверстий расположены друг под другим. Над отверстиями расположены лепестки 5, отогнутые под прямым углом к плоскости листов по линии верхних горизонтальных краев отверстий.

Каждый лепесток на продольной оси симметрии 6 имеет просечки 7 (фиг 5), промежутки между которыми прогнуты вниз и образуют V-образные зубчатые выступы 8 (фиг.4). Просечки (перфорации) лепестков имеют правильную геометрическую фоцму

относительно продольной и поперечной осей. Внешние контуры заготовки козырьков до прогибания промежутков между просечками (фиг.5) повторяют внутренние контуры зубчатых отверстий. Зубьям 3 от0 верстий соответствуют зубчатые впадины 9 лепестков. Согласно фиг.4 и 5 в лепестке вдоль продольной оси 6 выполнены просечки 7 ромбической формы, расположенные между зубчатыми впадинами 9 и ориентиро5 ванные так, что противоположные вершины ромбов лежат на продольной оси симметрии 6. После прогибания вниз промежутков между ромбическими высечками вдоль продольной оси лепестков образуются V-образ0 ные зубчатые выступы 8, расположенные напротив впадин боковых краев лепестков и одновременно вертикальными рядами друг под другом.

Просечки между зубчатыми впадинами

5 лепестков можно выполнять так, чтобы их контуры лежали на линиях, соединяющих края зубчатых впадин лепестков (фиг.6). Целесообразно высоту V-образных зубчатых выступов лепестков hi выполнять равной

0 высоте зубьев отверстий h, т.е. .

Наименьшее число пар зубьев в отверстиях равно двум и может быть увеличено до разумных пределов. С его увеличением возрастает длина отверстий и незначительно

5 увеличивается эффективность насадки, однако вследствие уменьшения числа перемычек между отверс.тиями уменьшается жесткость листов насадки. Располагать отверстия в шахматном порядке предпочти0 тельно при четном числе пар зубьев в отверстиях (фиг.1). При нечетном числе пар зубьев отверстия в нижележащих рядах сдвига- ютна величину, кратную шагузубьев(фиг.7). На фиг.З показан вариант насадки, в

5 котором зубчатые отверстия с лепестками расположены вертикальными рядами, а в междурядьях имеются отверстия 10, имеющие форму равнобедренных треугольников с горизонтальными основаниями, края кото0 рых лежат на линиях, соединяющих контуры крайних зубьев отверстий.

Насадка в аппарате устанавливается так, чтобы V-образные зубчатые выступы лепестков были направлены вниз, и работает

5 в условиях противотока.

Насадка работает следующим образом. Жидкость подается на верхний торец насадки и стекает вниз, контактируя с движущимся вверх парогазовым потоком. Стекающая вниз равномерно распределенная

на верхней части листов насадки жидкость на уровне лепестков первого ряда перерас- .пределяется: часть жидкости попадает на зубья 3 отверстий, а другая часть попадает на верхние горизонтальные поверхности лепестков 5.

Жидкость, распределившаяся на поверхности листов, образует на зубьях отверстий стекающие вниз капли или „струйки. Поскольку зубья всех рядов отверстий рас- положены друг под другом, по вертикальным рядам зубьев организуется равномерное прерывистое пленочно-капельное течение жидкости, при котором отрывающиеся от выступающих вниз зубьев капли пролета- ют промежутки между зубьями, падают на нижележащие зубья, выступающие вверх, расплющиваются в пленку на вертикальной части листов между зубьями, а затем стекают на нижележащие выступающие вниз зубья, где опять формируются капли, и процесс повторяется,

Жидкость, попавшая на верхние горизонтальные поверхности лепестков, стекает в их V-образные зубчатые выступы, перете- кает через их кромки на нижние поверхности V-образных выступов и собирается в капли. Поскольку V-образные зубчатые выступы лепестков расположены вертикальными рядами друг под другом, оторзазшие- ся капли падают на верхние поверхности нижних V-образных зубчатых выступов, опять перетекают на их нижние поверхности и вновь образуют капли.

На насадке в целом создается разно- мерное пленочно-капельное течение жидкости, осуществляемое и на вертикальных поверхностях листов и на лепестках, заполняющих промежутки между вертикальными листами. При ударэх о зубья и о V-образные зубчатые выступы лепестков капли дробятся на брызги, образуя завесы на каждом ряде лепестков. В это время парогазовый поток, двигаясь вверх между листами насадки и обтекая лепестки, тесно контактирует с каплями, брызгами и пленкой жидкости. У вершин V-образных зубчатых выступов лепестков и в местах высечек лепестков образуются вихревые зоны, способствующие более тесному взаимодействию турбулент- ных струй газа с поверхностью жидкости.

Важным преимуществом насадки является то, то V-образные зубчатые выступы располагаются по осевым линия лепестков, т.е. по центрам зазоров между парами смежных листов насадки. Поэтому образующиеся на V-образных зубчатых выступах капли и струи жидкости падают по центрам зазоров между листами, что приводит к тому, что капли контактируют с ядром парогазового

потока, имеющим более высокую скорость движения, чем периферийные участки, и более высокую концентрацию компонента, участвующего в массообмене.

Кроме того, при центральном взаимодействии потоков капли жидкости в значительно меньшей степени отклоняются парогазовым потоком в сторону и точно падают на нижележащие V-образные зубчатые выступы лепестков, приобретая во время падения необходимое количество кинетической энергии, достаточное для их эффективного расплющивания о верхние поверхности V-образных зубчатых выступов. Это способствует повышению эффективности насадки и позволяет увеличить предельные нагрузки по газу и жид кости, расширив этим диапазон работы насадки.

При ударах о поверхности зубьев и лепестков капли расплющиваются и образуют брызги, которые попадают на вертикальные поверхности листов насадки и поверхности лепестков, смачивая дополнительно всю поверхность насадки. В результате образования брызг непрерывно происходит частичный обмен жидкостью между потоками, стекающими по вертикальной части листов и потоками, стекающими по лепесткам, что способствует более равномерной обработке жидкости и интенсифицирует процесс тепломассообмена. За счет образования множества мелких брызг происходит увеличение поверхности контакта фаз и более быстрое обновление поверхности жидкости а моменты образования, полета и расплющивания капель. В образующихся и летящих каплях жидкая фаза перемешивается более интенсивно, чем в стекающей пленке, так как в каплях, не ограниченных твердой поверхностью, происходит более интенсивная циркуляция жидкости, приводящая к лучшему перемешиванию ее слоев, В моменты ударов капель и брызг о твердые поверхности в жидкой и газовой фазах возникают дополнительные пульсации вещества и наблюдается интенсивное перемешивание и разрушение пограничных слоев, препятствующих межфазному переносу.

Существенное влияние на повышение эффективности тепломассообмена оказывают условия формирования и подвисания на нижних краях V-образных зубчатых выступов лепестков (фиг.9 - 10). Верхние края формирующейся капли жидкости двигаются вверх на поверхность листа насадки на высоту h, равную высоте капиллярного поднятия жидкости на поверхность вертикальной пластины,смачиваемость которой такая же, как и смачиваемость поверхности насадки. Движение жидкости вверх при формировании и подвисания капель приводит к смачиванию нижних поверхностей лепестков. Однако хорошее смачивание происходит только тогда, когда высота V-образных зубчатых выступов лепестков hi не превышает высоты капиллярного поднятия рабочей жидкости по поверхности листов насадки.

Парогазовый поток фронтально набегает на нижние смоченные поверхности лепестков и эффективно взаимодействует с жидкостной поверхностью. Под воздействием гидродинамического напора парогазового потока пленка жидкости дополнительно увлекается вверх и ещё лучше смачивает нижние поверхности лепестков. Энергия парогазового потока расходуется по целевому назначению, т.е. взаимодействует с жидкостью. Повышаеюя эффективность тепломассообмена и улучшается степень использования гидродинамического напора парогазового потока.

Высота капиллярного поднятия пленки жидкости по поверхности насадки может быть определена экспериментально или по известному уравнению

h V рэ

где аи/9 - коэффициент поверхностного натяжения и плотность жидкости;

g - ускорение силы тяжести,

Поскольку высота зубьев в отверстиях лепестков насадки, как и высота V-образных зубчатых выступов лепестков, принимается равной высоте капиллярного поднятия жидкости, то для наиболее эффективной работы насадки высота V-образных выступов лепестков должна равняться высоте зубьев отверстий. Если высоту V-образных зубчатых выступов лепестков принять более расчетного значения размера h, то нижняя поверхность лепестков не полностью смачивается жидкостью, что приводит к бесполезным потерям энергии парогазового потока, уменьшению работающей поверхности насадки и снижению ее эффективности. При заниженном значении h часть жидкости из лепестков перераспределяется на листы насадки, это ухудшает равномерность орошения и снижает эффективность процесса.

Правильность положения, что высота V-образных зубчатых выступов лепестков должна равняться высоте зубьев отверстий, подтверждена экспериментально. В опытах брали насадку с зубчатыми отверстиями, у котором предварительно определяли оптимальную высоту зубьев. Сохраняя оптимальную высоту зубьев отверстий, подбирали высоту V-образных зубчатых выступов

лепестков, ориентируясь на наименьшее значение высоты единицы переноса массы (ВЕП) для системы этанол-вода. Наилучшие результаты получены, когда высота зубьев

отверстий и высота V-образных зубчатых выступов лепестков были одинаковыми.

Через просечки в местах прогибов лепестков проходит значительная часть парогазового потока, вследствие чего существенно

0 снижается гидравлическое сопротивление насадки.

Для того, чтобы между рядами отверстий с лепестками не возникали потоки бай- пасирующей жидкости, отверстия распола5 гают в шахматном порядке или сдвигают в соседних рядах на величину шага зубьев по горизонтали. При этом все зубья и V-образ- ные зубчатые выступы лепестков остаются расположенными друг под другом, обеспе0 чивая устойчивое периодически прерывающееся пленочно-капельное течение жидкости вниз без нежелательного явления ее самопроизвольного перераспределения.

Предотвратить байпасирование жидко5 сти в междурядьях отверстий можно и при расположении отверстий вертикальными рядами. Для этого в междурядьях зубчатых отверстий выполняют отверстия треугольной формы в виде равнобедренных треу0 гольников (фиг.8) с горизонтальными основаниями, причем контуры оснований этих треугольников лежат на линиях, соединяющих контуры крайних зубьев соседних по высоте отверстий. Таким образом, при опи5 санном выполнении насадки жидкость, попадающая вследствие разбрызгивания в междурядья отверстий и стекающая в виде байпасирующих пленок или струек, встретив на своем пути треугольные отверстия,

0 отклоняется от вертикального течения в междурядьях и возвращается в потоки с организованным течением, стекающие в виде отдельных капель или струй. Предполагается, что эффективность тепломассообмена

5 насадки на 20 - 25% выше, чем известной. Насадка довольно проста в изготовлении и может быть получена штамповкой плоских листов с последующим отгибанием лепестков в горизонтальное положение.

0Все лепестки насадки отогнуты в одну и

ту же сторону плоскости листа и при сборке насадки стыкуются со смежными листами, одновременно выполняя роль дистанционных элементов. Это облегчает сборку листов

5 в пакеты, а также позволяет монтировать насадку в аппарате отдельными листами, устанавливая их вплотную друг к другу. Формула изобретения 1. Регулярная насадка, содержащая плоскопараллельные вертикальные листы с

расположенными горизонтальными рядами и в шахматном порядке продолговатыми зубчатыми отверстиями с лепестками, отогнутыми под прямым углом по линии верхних краев отверстий, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона устойчивой работы насадки и повышения эффективности тепломассообмена путем улучшения условий контактирования фаз на нижних поверхностях лепестков, лепестки по осевой линии имеют просечки правильной геометрической формы, промежутки между которыми прогнуты вниз и образуют V-образные зубчатые выступы напротив зубьев отверстий, при этом все V-образные зубчатые выступы лепестков насадки расположены друг под другом.

2. Насадка по п. 1,отличающаяся тем, что высота V-образных зубчатых высту- пов лепестков равна высоте зубьев от- Ёерстий.

BtfffB

Изобретение относится к регулярным насадкам для тёпломассообменных аппаратов с пленочно-капельным течением жидкости и позволяет расширить диапазон устойчивой работы насадки и повысить эффективность тепломассообмена путем улучшения условий контактирования взаимодействующих фаз на нижних поверхностях лепестков. Регулярная насадка состоит из плоскопараллельных вертикальных листов 1 с выполненными в них продольными зубчатыми отверстиями 2, которые расположены вертикальными рядами в шахматном порядке в смежных рядах. Верхние и нижние горизонтальные края каждого отверстия имеют выступающие зубья 3, расположенные симметрично попарно один напротив другого. Вертикальные края отверстий имеют посередине по одному выступу 4. Над отверстиями расположены лепестки 5 Каждый лепесток по продольной оси имеет просечки, промежутки между которыми изогнуты вниз и образуют V-образные зубчатые выступив, зубьям отверстий соответствуют зубчатые впадины лепестков, 1 з.п.ф-лы. 10 ил. сл

Вид А

Гп п)

УоЧ uou

Дп ni т пit Гп п

uou uo4

LrClru Фие.1

9

Фиг.З

Фиг. 5

Фиг, б

Фи2 7

Лист насадки Лепесток ,

ЧЛ

i If-- Пленка жидкости Јг- Утолщение жидкости в начальный период о5разования капли

Парогазовый ло/пок

Фиг.9

Лист насадки Лепесток

Пленка жидкости ПадВисающая капля

I t- r ЛаР°газо8Ь1й яогпок Фиг. 10