Блок структурированной насадки для тепломассообменных аппаратов

 

Изобретение относится к химическому и нефтехимическому машиностроению, в частности к конструкциям насадок, используемых в аппаратах при осуществлении различных тепломассообменных процессов (ректификации, абсорбции, конденсации, нагревании, охлаждении и т.д.). Блок структурированной насадки для тепломассообменных аппаратов включает вертикально расположенные гофрированные перфорированные листы с наклонным гофрированием, гофры которых в смежных листах имеют одинаковый, но противоположный угол наклона к вертикали. Согласно изобретению гофрированные вертикальные листы выполнены из просечно-вытяжного металлического листа с живым сечением, составляющим 50-75%, и с ромбовидной формой просечек, ширина перемычек между которыми составляет 1,2-2,0δ, где δ - толщина листа, при этом угол наклона перемычек к поверхности листа составляет 35-75^o, а живое сечение каждого просечно-вытяжного гофрированного листа составляет 50-75% от общей его площади. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения большие диагонали ромбовидных просечек ориентированы вертикально или горизонтально; угол наклона гофр к вертикали должен составлять 20-70^o; смежные листы в блоке насадки установлены с зеркальной симметрией направления изгиба перемычек между ромбовидными просечками. Техническим результатом использования изобретения является снижение удельного сопротивления насадки. 4 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к химическому и нефтехимическому машиностроению, в частности к конструкциям насадок, используемых в аппаратах при осуществлении различных тепломассообменных процессов (ректификации, абсорбции, конденсации, нагревании, охлаждении и т.д.).

Из предшествующего уровня развития техники известна конструкция насадки фирмы "SULZER", включающая отдельные блоки, состоящие из вертикальных гофрированных перфорированных металлических листов (по толщине приближающихся к фольге), гофры которых расположены под углом к вертикали. В смежных листах гофры имеют одинаковый по величине, но противоположный по направлению угол наклона к вертикали, см. Зарубежные насадочные устройства массообменной аппаратуры, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. М., 1982, с. 11-13.

В качестве прототипа заявляемого изобретения, авторами выбран блок структурированной насадки тепломассообменных аппаратов, состоящий из вертикальных гофрированных листов с наклонным рифлением, причем в смежных листах рифление имеют одинаковый по величине, но противоположный по направлению угол наклона к вертикали, а вся гофрированная поверхность листов перфорирована рядами просечек, снабженных козырьками с различными углами отгибов, см. а.с. СССР 1082470, М.кл. B 01 J 19/30, 1983.

Насадки по аналогу и прототипу имеют невысокое гидравлическое сопротивление, однако их общим недостатком является сравнительно невысокая эффективность, что обусловлено недостаточно развитой поверхностью контакта взаимодействующих фаз.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение является снижение удельного сопротивления насадки (снижение параметра (Δp/η), т.е. снижение сопротивления слоя насадки эквивалентной одной теоретической тарелке и повышение эффективности массообмена.

Решение поставленной задачи обеспечено тем, что блок структурированной насадки для тепломассообменных аппаратов, включающий вертикально расположенные гофрированные перфорированные листы с гофрированием в смежных листах одинаковым по наклону и противоположным по направлению, согласно изобретению гофрированные вертикальные листы выполнены из просечно-вытяжного металлического листа с ромбовидной формой просечек и изогнутыми перемычками между ними, ширина которых составляет 1,2-2δ, где δ - толщина листа, при этом угол наклона перемычек к поверхности листа составляет 35-75^o, а живое сечение каждого просечно-вытяжного гофрированного листа составляет 50-75% от общей его площади. В предпочтительных вариантах выполнения изобретения, большие диагонали ромбовидных просечек могут быть ориентированы или вертикально, или горизонтально по отношению к рабочему положению листов в блоке насадки. Во всех вариантах выполнения, угол наклона гофр к вертикали составляет 20-70^o, а угол изгиба листов в вершинах гофр составляет 80-140^o. Кроме того, предпочтительно, чтобы смежные листы в блоках насадки были установлены с зеркальной симметрией направления изгиба перемычек между ромбовидными просечками.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является снижение удельного сопротивления насадки (снижение параметра (Δp/η), т. е. снижение сопротивления слоя насадки, эквивалентной одной теоретической тарелке. Это следует из того, что одним из основных параметров, характеризующих работоспособность насадок (особенно в случае их использования в аппаратах, работающих под вакуумом), является параметр -Δp/η-, т.е. сопротивление слоя насадки, эквивалентного одной теоретической тарелке (где Δp - сопротивление, η - КПД). Чем меньше величина Δp/η, тем насадка эффективнее и тем ниже энергетические затраты на проведение тепломассообменного процесса. Проведенными исследованиями установлено, что с увеличением площади перфорации листов (живого сечения листов) сопротивление (Δp) насадки падает быстрее, чем эффективность (η), и в целом параметр (Δp/η) - уменьшается.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображен схематично общий вид массообменного аппарата с насадкой; на фиг.2 - блок насадки; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - лист блока насадки; на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.4; на фиг.6 - вид В на фиг.5 на фиг.7 - сечение F-F на фиг.6.

Регулярная насадка для тепломассообменных аппаратов включает блоки 1 из вертикальных гофрированных металлических листов 2. В блоках насадки смежные листы 2 имеют одинаковый, но противоположный угол наклона гофр 3 к вертикали. Вертикальные гофрированные листы 2 выполнены из просечно-вытяжных металлических листов с ромбовидной формой просечек (ячеек) 4. Между просечками 4 расположены перемычки 5, ширина которых составляет 1,2-2δ, где δ - толщина листа 2. Угол наклона перемычек 5 к поверхности листов 2 составляет 35-75^o, а живое сечение каждого просечно-вытяжного гофрированного листа составляет 50-75% от общей его площади.

В предпочтительных вариантах выполнения, большие диагонали d ромбовидных просечек 4 ориентированы или вертикально или горизонтально по отношению к рабочему положению листов 2 в блоках насадки. Во всех вариантах выполнения предпочтительно, чтобы угол наклона гофр 3 к вертикали составлял 35-75^o, а угол сгиба листов 2 в вершинах гофр 3 составлял 80-140^o. Кроме того, смежные листы 2 в блоках 1 насадки установлены с зеркальной симметрией направления изгиба перемычек между ромбовидными просечками.

Насадка для тепломассообменных аппаратов работает следующим образом.

Газ (пар) подается в аппарат 6 через соответствующий патрубок 7, а жидкость - сверху через штуцер 8 поступает в распределитель жидкости 9, откуда поступает на насадку, собранную из блоков 1.

Поток паровой (газовой) фазы поступает под нижние краевые участки вертикальных гофрированных листов 2 блоков 1 и разделяется на струи, движущиеся по перекрещивающимся каналам, образованным гофрами 3 смежных листов 2. На участках перекрещивания каналов (расположенных регулярно по всему объему блока), струи пара (газа) турбулизируются и перемешиваются между собой.

В зависимости от положения изогнутых перемычек 5 по отношению к потоку газовой (паровой) фазы, пограничные слои струй или натекают на них и отклоняются через просечки 4 в смежные каналы, или (если изогнутые перемычки расположены по потоку газовой (паровой) фазы), происходит эжектирование газовой (паровой) фазы через просечки 4 из смежных каналов.

Таким образом, при движении газовой (паровой) фазы в блоке насадки реализуется движение как по перекрещивающимся каналам, так и движение между листами блока сквозь просечки 4 в листах 2. При этом струи газа (пара) регулярно турбулизуются не только в областях перекрещивания каналов, но и при прохождении пограничных слоев струй в смежные каналы (через просечки 4). Зеркальное расположение изогнутых перемычек 5 в смежных листах 2 приводит к зигзагообразному движению газовой (паровой) фазы между листами 2 блока 1 насадки. Соотношение количеств газовой (паровой) фазы движущейся по каналам, образованным гофрами листов и газовой (паровой) фазы, движущейся сквозь просечки 4 определяется углом наклона гофр, живым сечением просечно-вытяжных гофрированных листов 2 и величиной изгиба перемычек 5.

Жидкая фаза, поступающая в блоки 1 насадки из распределителя жидкости 9 стекает вниз в виде пленочных струй по разветвленным изогнутым перемычкам 5 просечек 4 листов 2. За счет эффекта Коанда струи жидкости "прилипают" к перемычкам 5. (Для сведения - эффект Коанда характеризуется прилипанием струй жидкости к твердой поверхности, более подробно об этом эффекте см., например, Смирнов Г.В. Рожденные вихрем. - М.: Знание, 1982, с. 178-182.) В местах схождения (узлах) перемычек 5 от смежных просечек 4, струи жидкости сливаются и далее перераспределяются на нижерасположенные перемычки и узлы, что обеспечивает смачивание жидкой фазой всей поверхности листов 2. В местах примыкания смежных листов блока друг к другу жидкая фаза имеет возможность частичного перетекания с листа на лист.

Тепломассообмен между контактирующими фазами осуществляется следующим образом.

Жидкая фаза, стекающая в виде струек по перемычкам и частично накапливающаяся в узлах схождения перемычек интенсивно обдувается струями газа (пара), при этом под действием струй газа (пара) часть жидкости срывается и в виде мельчайших капель переносится на другие участки поверхности листов 2. За счет того, что просечки 4 имеют ромбовидную форму, при накапливании жидкости в узлах (т. е. в пересечениях) перемычек 5 часть жидкости в виде пленки "затягивает" поверхность просечек 4, локально изменяя гидравлическое сопротивление на этом участке, что повышает скорость струй, сопровождающееся уносом жидкости на смежных участках, сопротивление которых начинает повышаться (за счет накапливания при оседании унесенной жидкости). В свою очередь, это приводит к локальному повышению давления газовой фазы и разрыву пленок жидкости на просечках 4. Разорванные пленки жидкой фазы в виде мельчайших капель переносятся на другие участки листов 2 и процесс повторяется, при этом за счет разрыва пленок жидкости происходит обновление поверхностей контакта, площадь которых многократно увеличивается.

Далее пар (газ) поступает в следующий вышележащий блок, где процесс массообмена повторяется.

Следует отметить, что в объеме насадки реализуется самонастраивающийся процесс, при котором локальные байпасные потоки газа (пара) приводят к повышенному уносу жидкой фазы из этой области и переносу в другую область где за счет оседания жидкости повышается гидравлическое сопротивление, приводящее к перекрытию байпаса.

Таким образом, в предлагаемой насадке реализуется как пленочный, противоточный контакт взаимодействующих фаз, так и контакт в капельной форме.

Ориентация ромбовидных просечек в листах насадки зависит от величины вязкости жидкой фазы; при большей вязкости предпочтительна вертикальная ориентация больших диагоналей ромбовидных просечек 4; при меньшей вязкости - предпочтительна горизонтальная ориентация этих диагоналей. Обычно при выборе горизонтальной или вертикальной ориентации просечек известны производительность аппарата по газу (пару) и жидкости, включая и характеристики жидкой фазы.

Необходимо также отметить, что турбулизация пограничных слоев струй изогнутыми перемычками 5, интенсифицирует контакт взаимодействующих фаз и существенно повышает эффективность тепломассообмена. Эффективность тепломассообмена повышается, также за счет эффективного перераспределения потоков паровой (газовой) и жидкой фаз по поперечному сечению блока и насадки в целом, а также повышенном времени контакта взаимодействующих фаз.

При осуществлении контакта фаз с относительно небольшими расходами по жидкости и газу (пару), пленки жидкости на просечках 4 не образуются. В этом случае реализуется преимущественно пленочно-противоточный контакт взаимодействующих фаз.

Для определения оптимального живого сечения листов, при минимальном влиянии параметра (Δp/η), авторами были испытаны блоки насадки с листами, имеющими различное живое сечение и различную ширину перемычек между просечками, а также различные углы наклона гофр к вертикали и углы в вершинах гофр.

В результате исследований было установлено, что использование просечно-вытяжного листа в качестве конструкционного материала для изготовления блоков насадки имеет следующие преимущества.

Вследствие того, что в процессе изготовления просечно-вытяжного листа (его вытяжки), перемычки между просечками изгибаются (поворачиваются) однонаправлено ориентируясь под углом к плоскости листа, они по существу являются направляющими элементами для струй паровой (газовой) фазы. С точки зрения перераспределения газовой (паровой) фазы наиболее оптимальным является такая ширина перемычек между просечками, при которой она составляет 1,2-2δ (где δ - толщина металлического листа). При указанном соотношении ширины перемычек и толщины листа паровая (газовая) фаза наиболее эффективно перераспределяется по поперечному сечению насадки, за счет чего повышается эффективность ее работы.

Пересечения перемычек 5 между просечками 4, образуют "узлы", на которых накапливается стекающая жидкая пленка, движущаяся по перемычкам 5, которая перераспределяется по перемычкам 5 соседних просечек, то есть после каждого "узла" число перемычек 5, по которым распределяется жидкость, удваивается. Это приводит к перераспределению жидкости по всему поперечному сечению насадки и исключает "ручейковый" режим движения пленки жидкости по поверхности листа.

Использование просечно-вытяжного листа принципиально позволяет развить сколь угодно большое живое сечение вертикальных листов насадки.

Чем больше живое сечение просечно-вытяжного листа, тем меньше металлоемкость насадки. Образующиеся при изготовлении просечно-вытяжного листа дополнительные поверхности в местах просечек увеличивают суммарную поверхность контакта фаз на насадке, что (в зависимости от величины живого сечения, ширины перемычек между просечками и толщины просечно-вытяжного листа) компенсирует потерю площади листов при их вытяжке и не снижает эффективность (η) насадки.

Значение показателя (Δp/η) снижается при использования просечно-вытяжных листов с живым сечением 50-70%, при этом минимальное значение этого показателя достигается при живом сечении 50-60%.

Оптимальными (в зависимости от соотношения величины паровой (газовой) и жидкостной нагрузок) углами при вершине гофр являются 80-140^o и углы наклона гофр к вертикали 35-70^o.

Наиболее благоприятной для равномерного перераспределения жидкой фазы на просечно-вытяжном листе является ромбовидная форма просечек.

Проведенными исследованиями также установлено, что предлагаемая насадка эффективна в широком диапазоне режимов работы, что достигается оптимальным перераспределением контактирующих фаз в объеме насадки и интенсификацией их контакта.

Формула изобретения

1. Блок структурированной насадки для тепломассообменных аппаратов, включающий вертикально расположенные гофрированные перфорированные листы с наклонным по отношению к вертикали гофрированием, причем в смежных листах гофры имеют одинаковый и противоположный по направлению угол наклона к вертикали, отличающийся тем, что гофрированные вертикальные листы выполнены из просечно-вытяжного металлического листа с ромбовидной формой ячеек и перемычками между ними, ширина которых составляет 1,2-2δ, где δ-толщина листа, при этом угол наклона их к поверхности листа составляет 35-75^o, а живое сечение каждого просечно-вытяжного гофрированного листа составляет 50-75% от общей его площади.

2. Блок структурированной насадки по п. 1, отличающийся тем, что большие диагонали ромбовидных ячеек ориентированы вертикально в соответствии с рабочим положением листов в блоке насадки.

3. Блок структурированной насадки по п. 1, отличающийся тем, что меньшие диагонали ромбовидных ячеек ориентированы вертикально в соответствии с рабочим положением листов в блоке насадки.

4. Блок структурированной насадки по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что угол наклона гофр к вертикали составляет 20-70^o.

5. Блок структурированной насадки по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что угол изгиба гофр составляет 80-140^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7