Регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов
Изобретение относится к конструкциям регулярных структурированных насадок, которые применяются в процессах ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также в качестве смесителей жидких и газовых потоков, в качестве оросителей градирен систем оборотного водоснабжения, и может найти применение практически во всех технологических процессах нефтяной, газовой, химической и других смежных отраслей промышленности. Регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов содержит блок размещенных ярусами горизонтальных рядов многозаходных винтовых элементов, расположенных в каждом ряду с постоянным зазором относительно друг друга. В зазоры между соседними винтовыми элементами в горизонтальных рядах вставлены вертикальные винтовые элементы, а величина зазора между всеми горизонтально расположенными винтовыми элементами равна наружному диаметру вставленных вертикальных винтовых элементов. Величина наружного диаметра вставленных вертикальных винтовых элементов находится в соотношении 0,32-0,98 к величине наружного диаметра горизонтальных винтовых элементов, а зазор между последними также находится в этих пределах. Изобретение позволяет повысить эффективность процессов тепло- и массообмена за счет образования квазиизотропной структуры во всем объеме блока насадки, турбулизации потоков внутри объема насадки, предотвратить байпасирование непрореагировавшего газа, а также увеличить механическую прочность блока насадки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок, которые применяются в процессах ректификации, абсорбции, очистки и осушки природного газа, а также в качестве смесителей жидких и газовых потоков в качестве оросителей градирен систем оборотного водоснабжения, и может найти применение практически во всех технологических процессах нефтяной, газовой, химической и других смежных отраслей промышленности.
Известна регулярная структурированная насадка фирмы «Зульцер» (патент США №4643853, НКИ: 261-112 от 17.02.87), которая выполнена из вертикально установленных гофрированных листов, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом. Гофры на каждом из листов расположены по диагонали и выполнены с отверстиями или насечками вдоль или поперек гофр.
Известна также регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов (патент РФ №2188706, МПК 7 В01J 19/32, В01F 3/04 от 10.09.02), состоящая из собранных в пакеты гофрированных листов, установленных вертикально и параллельно с наклоном гофр соседних листов под углом к горизонту в противоположные стороны, соприкасающихся выступающими гофрами друг с другом и образующих между собой свободные каналы сложной геометрической формы.
Недостатком таких насадок является то, что они обеспечивают удовлетворительное распределение газовых и жидкостных потоков лишь в пределах замкнутых плоских каналов, образованных параллельными стенками соседних гофрированных пластин. При этом поперечное перемешивание в объеме всей насадки в целом не обеспечивается, что заметно снижает эффективность процессов тепло- и массообмена.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов, содержащая блок размещенных ярусами горизонтальных рядов многозаходных винтовых элементов, расположенных в каждом ряду с постоянным зазором друг относительно друга (Авторское Свидетельство SU №1760304 A1, F28F 25/08 от 10.05.1990).
К недостаткам этой конструкции следует отнести то, что большая часть потока газа проходит байпасом вертикально по сквозным каналам насадки, поэтому не достигается существенное повышение эффективности тепло- и массообмена в процессах разделения смесей. К недостаткам данной конструкции насадки относится недостаточная турбулизация газовой фазы, а также отсутствие свойств изотропности, что отрицательно сказывается на равномерности распределения газожидкостных потоков во всем объеме насадки. Механическая прочность блока насадки также является недостаточной, что сужает область применения в градирнях систем оборотного водоснабжения.
Задача изобретения - повышение эффективности процессов тепло- и массообмена за счет образования квазиизотропной структуры в объеме блока насадки, предотвращение байпаса непрореагировавшего газа, повышение интенсификации массообмена за счет турбулизации потоков внутри всего объема насадки, а также увеличение механической прочности блока насадки.
Поставленная задача достигается тем, что в регулярной структурированной насадке для тепло- и массообменных аппаратов, содержащей блок размещенных ярусами горизонтальных рядов многозаходных винтовых элементов, расположенных в каждом ряду с постоянным зазором относительно друг друга, согласно изобретению в зазоры между соседними винтовыми элементами в горизонтальных рядах вставлены вертикальные винтовые элементы, а величина зазора между всеми горизонтально расположенными винтовыми элементами равна наружному диаметру вставленных вертикальных винтовых элементов.
Величина наружного диаметра вставленных вертикальных винтовых элементов находится в соотношении 0,32-0,98 к величине наружного диаметра горизонтальных элементов, а зазор между последними также находится в этих пределах.
На фиг.1 изображен в изометрии фрагмент блока регулярной структурированной насадки, образованный тремя взаимно перпендикулярными рядами четырехзаходных винтовых элементов 1, 2 и 3, скрепленных между собой полимерной лентой 4 методом точечной сварки по торцам винтов 5. Сами винтовые элементы 1, 2 и 3 изготовляют методом экструзии из полимерного материала, например полиэтилена низкой плотности, высокого давления. Винтовые элементы на фиг.1 условно показаны в виде цилиндров.
На фиг.2 показан четырехзаходный винтовой элемент 1, 2 или 3, располагаемый в блоке насадки соответственно в горизонтальной либо в вертикальной плоскости в соответствии с компоновкой блока, представленной на фиг.1.
На фиг.3 представлена в виде кривой 6 зависимость потери напора ΔР/Н от скорости газового потока Wo в расчете на полное сечение пустого аппарата.
Регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов выполнена в виде блока размещенных ярусами горизонтальных рядов многозаходных винтовых элементов 1 и 2, расположенных в каждом ряду с постоянным зазором относительно друг друга, причем в зазоры между соседними винтовыми элементами 1 и 2 в горизонтальных рядах вставлены вертикальные винтовые элементы 3, а величина зазора между всеми горизонтально расположенными винтовыми элементами 1 и 2 равна наружному диаметру вставленных вертикальных винтовых элементов. При этом совокупность всех винтовых элементов 1, 2 и 3 регулярной насадки образует во всем объеме блока насадки трехмерную квазиизотропную структуру. Каналы насадки имеют сложную геометрическую форму, способствующую интенсивному перемешиванию и турбулизации контактирующих потоков газа и жидкости.
Компоновка насадки выполнена так, что величина наружного диаметра вставленных вертикальных винтовых элементов 3 находится в соотношении 0,32-0,98 по отношению к величине наружного диаметра горизонтальных элементов 1 и 2, а зазор между последними также находится в этих пределах.
При этом выполнение наружного диаметра вставляемых вертикальных элементов в соотношении менее 0,32 по отношению к величине диаметра горизонтальных винтовых элементов приводит к неоправданному росту гидравлического сопротивления насадки. При увеличении величины диаметра вертикальных винтовых элементов к горизонтальным выше 0,98 приводит к существенному нарушению свойств изотропности блока насадки.
Регулярная структурированная насадка работает следующим образом. Жидкая фаза подается на верхнюю часть блока, собранного из винтовых элементов 1, 2 и 3, и стекает по их поверхности в виде тонкой пленки и капель, контактируя с восходящими по свободным каналам сложной геометрической формы, образованным взаиморасположением горизонтальных 1, 2 и вертикальных винтовых элементов 3 потоками газа, таким образом, массообмен между жидкостью и газом происходит в пленочно-капельном режиме. Расположение винтовых элементов в 3-х взаимно перпендикулярных плоскостях обеспечивает оптимальное - изотропное геометрическое строение структуры насадки и тем самым более полное использование всего рабочего объема насадки вследствие увеличенного пути прохождения жидкости и ее эффективного перераспределения во всем объеме блока насадки, увеличение турбулизации газовой и жидкой фаз и необходимую интенсификацию процессов тепло- и массообмена.
Выполнение блока насадки из элементов, представляющих собой тела вращения, которые выполнены в виде многозаходных винтов, способствует закручиванию жидкостного и газового потоков и, тем самым, турбулизации потоков. Минимальное число заходов многозаходного винта 2, а максимальное ограничено уменьшением площади свободных каналов для прохода газа в блоке и составляет 5 и объясняется условиями технологии изготовления.
Расположение элементов, представляющих собой многозаходные винты в блоке с горизонтальным и вертикальным зазором относительно друг друга, обусловлено необходимостью создания квазиизотропной структуры. Размер шага, на расстоянии которого соседние горизонтальные элементы располагаются друг от друга, должен быть в пределах от 0,32 до 0,98 диаметра вертикальных элементов, что обеспечивает оптимальные условия для формирования квазиизотропной структуры блока насадки, а также условия для интенсивного осуществления процессов тепло- и массообмена.
Предлагаемая регулярная структурированная насадка позволяет повысить эффективность тепло- и массообмена на 16-28% в процессах абсорбции, ректификации, очистки, осушки газов, охлаждении жидкостей и т.п., проста в изготовлении и может быть использована при реконструкции и замене известных регулярных насадок, собранных, например, из гофрированных листов, согласно изобретению путем монтажа блоков предлагаемой регулярной структурированной трехмерной насадки из винтовых элементов, позволяющих интенсифицировать процессы тепло- и массообмена за счет турбулизации газовых потоков, перераспределения потоков газа и жидкости, а также за счет организации квазиизотропной пространственной структуры. Механическая прочность блока насадки при этом возрастет.
1. Регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов, содержащая блок размещенных ярусами горизонтальных рядов многозаходных винтовых элементов, расположенных в каждом ряду с постоянным зазором относительно друг друга, отличающаяся тем, что в зазоры между соседними винтовыми элементами в горизонтальных рядах вставлены вертикальные винтовые элементы, а величина зазора между всеми горизонтально расположенными винтовыми элементами равна наружному диаметру вставленных вертикальных винтовых элементов.
2. Регулярная структурированная насадка по п.1, отличающаяся тем, что величина наружного диаметра вставленных вертикальных винтовых элементов находится в соотношении 0,32-0,98 к величине наружного диаметра горизонтальных винтовых элементов, а зазор между последними также находится в этих пределах.
