[1]Полезная модель относится к конструкциям массообменных аппаратов и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармакологической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и дымовых газов от вредных примесей.
[2]Известны конструкция насадочных массообменных колонн, состоящие из цилиндрического корпуса, изготовленного из отдельных обечаек, герметично соединенных между собой, с патрубками входа и выхода перерабатываемых жидкостей и газов и люками для монтажа, демонтажа и осмотра внутренних узлов, деталей и других конструктивных элементов. Внутри корпуса насадочных аппаратов закреплены контактные устройства с опорными тарелками для насадочных тел, на которые упорядочено установлены или насыпаны в навал насадки различных типов [Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств/ Тимонин А. С., Баранова Е. Ю., Божко Г. В. и др. // под общей редакцией А. С. Тимошина / М.: Вологда: Инара-Интелерия, 2022, С. 555-576].
[3]К причинам, препятствующим достижению заявленного технического результата, относится неподвижность поверхности насадки, по которой стекает жидкость, газ или пар, что уменьшает скорость тепло-и массопереноса, а значит и производительность в целом.
[4]Известна конструкция вибрационного экстрактора, состоящего из цилиндрического корпуса, внутри которого находятся диски насадки и секционированные пакеты, установленные неподвижно между вибрирующими ситчатыми дисками насадки и снабженные гидрозатворами. Вибрирующие ситчатые диски насадки жестко прикреплены к одному вертикальному валу, соединенному виброприводом, который установлен на крышке аппарата [Городецкий И. А., Васин А. А., Олевский В. М., Лупанов П. А. Вибрационные массообменные аппараты / под редакцией В. М. Олевского / М.: Химия, 1980, С.51].
[5]К причинам, препятствующим достижению заявленного технического результата, относится высокая масса вала со всеми ситчатыми дисками насадки, что ограничивает амплитуду колебаний и приводит к снижению эффективности вибрации при ее воздействии на тепло- и массообменные процессы на поверхности насадки, а значит, и уменьшает в целом производительность.
[6]Наиболее близким техническим решением к предлагаемой конструкции насадочной колонны по совокупности признаков к заявляемому объекту относится массообменный аппарат, содержащий корпус, перфорированные тарелки с переливными патрубками и упорными пластинами, имеющие возможность вертикального перемещения, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, на которых равномерно по окружности, соосно с упорными пластинами установлены опорные пластины, на краях тарелок по окружности закреплены кольца диаметром, равным среднему диаметру желоба, а между опорными и упорными пластинами установлены пружины, причем для создания переменной жесткости витки пружины выполнены в виде конической спирали [Полезная модель РФ №150524, МПК: B01D 3/00, 2015 г.].
[7]К причинам, препятствующим достижению заявленного технического результата, относится невозможность использования известной конструкции в насадочных колонных аппаратах. Так формула определения упругости цилиндрической пружины зависит от скорости звука в пустотелой колонне как в трубе, а в насадочных колоннах ее корпус заполнен элементами насадки и необходим другой источник вынужденных колебаний, чтобы обеспечивать вибрацию каждой опорной тарелки с насадкой в резонансном режиме.
[8]Техническим результатом предлагаемой конструкции насадочной колонны является повышение скоростей тепло- и массопередачи и производительности.
[9]Поставленный технический результат достигается в насадочной колонне, состоящей из корпуса с патрубками подачи и отвода жидкой и газовой фаз, насадок и желобов, жестко закрепленных внутри корпуса в местах установки насадок, на которых равномерно по окружности, соосно друг другу установлены упорные и опорные пластины, с размещенными между ними коническими пружинами, причем патрубок для подачи жидкости дополнительно снабжен оросителем, насадки выполнены в виде кассет с размещёнными внутри кольцами Рашига, каждый кольцевой желоб снабжен перераспределителем жидкости, выполненным в виде усеченного конуса, а упругость витков конической пружины подчиняется уравнению
[10]
(1),
[11]где ν - частота вынужденных колебаний, создаваемых вибровозбудителем, Гц;
[12]m1 - наибольшая колеблющаяся масса (опорная решетка с кассетой, кольца Рашига и жидкость в каждой царге), кг;
[13]m2 - наименьшая колеблющаяся масса (опорная решетка с кассетой, кольца Рашига в каждой царге), кг;
[14]n - число конических пружин в каждой царге;
[15]K1 - упругость части витков конической пружины для наибольшей колеблющейся массы, H/м;
[16]K2 - упругость части витков конической пружины для наименьшей колеблющейся массы, H/м.
[17]Установка опорной решетки необходима для насыпки на нее в навал или упорядоченной установки колец Рашига. Размеение внутри корпуса кассет высотой H и диаметром, равным диаметру кольцевого желоба, необходима для предотвращения соприкосновения поверхности периферийных насадочных тел во время вибрации со стенкой корпуса и их истирания об нее, что приводит к увеличению времени основного цикла работы колонны, а следовательно, и производительности. Установка под каждым кольцевым желобом перераспределителей жидкости необходима для перераспределения жидкости, стекающей с опорной решетки с периферии в центр, для равномерного орошения всей поверхности насадочных тел в каждой царге, увеличивая тем самым поверхность контакта фаз, что приводит к повышению скорости массопередачи, а значит, увеличивает производительность.
[18]Установка на крышке дополнительного вибровозбудителя вынужденных колебаний позволяет создавать вибрацию в газовой фазе по всей высоте насадочной колонны в каждой царге с частотой ν, способствуя увеличению скорости массопередачи, а значит росту производительности. [Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии - М.: Химия, 1990, С.48-49].
[19]Кроме того, вибрация снижает размер пузырьков или капель дисперсной фазы, что приводит к росту поверхности контакта фаз, скорости массопередачи, а значит, и росту производительности.
[20]Установка кассеты с опорной решеткой и кольцами Рашига на конические пружины с упругостью в диапазоне K1,2, подчиняющейся формуле (1), когда амплитуда колебаний близка к амплитуде колебаний вибровозбудителя, позволяет вести вибрационный процесс в резонансном (околорезонансном) режиме, то есть с увеличенной амплитудой колебаний, что еще больше интенсифицирует процессы массопередачи и увеличивает производительность массообменных процессов в целом по сравнению с обычным режимом вибрации.
[21]Действительно, опорная решетка, кассета с кольцами Рашига и протекающая в нем жидкость (или сухой насадкой) образует пружинный маятник. Собственная частота колебаний витой пружины определяется уравнением:
[22]
(2)
[23][Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издание физико-математической литературы, 1963, C.102].
[24]Приравнивая собственную частоту колебаний этого пружинного маятника с частотой колебаний вибровозбудителя, с учетом принятых обозначений, получаем уравнение (1), где M=m1 – при максимальной массе или M=m2 – при минимальной массе, а n – число конических пружин, на которые опираются массы m1 и m2, учитывает долю общей массы, опирающейся на каждую коническую пружину.
[25]На фиг. 1 представлена схема насадочной колонны предлагаемой конструкции, на фиг. 2 - фрагмент царги с опорной решеткой и насадкой, на фиг. 3 - коническая пружина в ее взаимодействии с опорной пластиной, опорной решеткой, кольцевым желобом и перераспределителем жидкости, на фиг.4 - коническая пружина.
[26]Насадочная колонна состоит из цилиндрического корпуса 1, собранного из отдельных царг с фланцами, герметично соединенных между собой разъемными элементами (например, прокладками, болтами, шайбами и гайками). Сверху корпус 1 герметично закрыт крышкой 2 оснащенной патрубком для подачи жидкости 3 и патрубком для отвода газовой фазы 4, а также вибровозбудителем 5. Патрубок для подачи жидкости 3 снабжен оросителем 6. Снизу корпус 1 герметично закрыт днищем 7, оснащенным патрубками подвода газовой фазы 8 и отвода жидкости 9.
[27]Внутри корпуса 1 установлены насадочные элементы, выполненные в виде кассет 10 с размещёнными внутри (насыпаны в навал или установлены упорядоченно высотой h, равной высоте кассеты 10) кольцами Рашига 11. В местах установки кассет 10 внутри корпуса 1 жестко закреплены кольцевые желоба 12, так что стенка кассеты 10 совместно с кольцевым желобом 12 образуют гидрозатвор 13 (диаметр стенки кассеты 10 Dк меньше внутреннего диаметра корпуса 1 Dаи равен среднему диаметру кольцевого желоба 12). На каждом желобе 12 равномерно по окружности установлены опорные пластины 14. Соосно с опорными пластинами 14 на каждой опорной решётке 15 установлены упорные пластины 16. Между опорными пластинами 14 и упорными пластинами 16 установлены конические пружины 17. Опорные решетки 15 установлены внутри кассет 10, над кольцевыми желобами 12.
[28]Каждый кольцевой желоб 12 снабжен перераспределителем жидкости 18, выполненным в виде усеченного конуса, соединенного большим диаметром с нижней частью кольцевого желоба 12
[29]Насадочная колонна предлагаемой конструкции работает следующем образом.
[30]Жидкий абсорбент подается в корпус 1 по патрубку для подачи жидкости 3 и посредством оросителя 6 разбрызгивается на поверхность, колец Рашига 11, размещённых внутри кассет 10. В это время по патрубку подвода газовой фазы 8 подается газовая фаза, которая поднимается вверх по корпусу 1, проходя сквозь решетки 15 кассет 10 и кольца Рашига 11. Вибровозбудитель 5 создает внутри корпуса 1 в жидкости и газовой фазе вынужденные колебания с частотой ν.
[31]Перераспределитель жидкости 18 обеспечивает стекание жидкого адсорбента с опорной решетки 15 с периферии в центр, для равномерного орошения всей поверхности колец Рашига 11 в каждой последующей царге, а гидрозатвор 13 направляет газовую фазу непосредственно в кассеты 10.
[32]Жидкий адсорбент, стекающий по наполнению кассет 10, опорной решетке 15 имеет общую массу m1, то витки конической пружины 17, имеющей упругость K1, образуют пружинный маятник, собственная частота вибраций которого близка к частоте вибраций вынужденных колебаний вибровозбудителя 5, что заставляет колебаться вышеназванные массы в резонансном (околорезонансном) режиме с высокой амплитудой. Таким образом встречные потоки газовой фазы и жидкого адсорбента лучше взаимодействуют, тем самым повышая скорость тепло- и массопередачи.
[33]Пример. Расчет параметров насадочной пружины 17 и амплитуды колебаний вибровозбудителя 5.
[34]Расчеты проведем для насадочной абсорбционной колонны с диаметром корпуса 1 Dа=0,5 м и с элементами насадки 11 в виде колец Рашига, выполненных из пластика плотностью ρ=1380 кг/м3 (винипласт) [Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Изд 7-е, перараб и доп. - Ленинградское отделение. - М.: Химия, 1970, с. 550]. Размер колец примем 25×25×3, а свободный объем - 0,74. Тогда масса 1 м3насадки (стр.564):
[35]
кг/м3.
[36]Диаметр кассеты 10 принимаем согласно формуле полезной модели Dк=0,96Dа=0,48 м. Высоту кассеты 10 и колец Рашига 11 h принимаем равную диаметру корпуса 1 h=Dа=0,5 м. Тогда масса сухой насадки 11 будет определяться в виде
[37]
кг.
[38]Массу опорной решетки 15, как стального перфорированного диска толщиной δ=5 мм и плотностью ρс=8000 кг/м3 с долей свободного сечения s=0,15, определяем в виде:
[39]
кг.
[40]Массу кассеты 10 высотой h и диаметром Dк, выполненной из стали плотностью ρс=8000 кг/м3 и толщиной δг=2 мм, определяем в виде:
[41]
кг.
[42]Массу стенки кассеты 10, образующей гидрозатвор принимаем mз=2 кг.
[43]Тогда общая колеблющаяся масса сухой насадки (без жидкости):
[44] m2=mн+mр+mг+mз=47,6 кг.
[45]Доля абсорбента (удерживающая способность по жидкости) при работе в режиме эмульгирования составляет максимально до 20% от доли свободного объема ε=0,74 (стр. 584). Остальной свободный объем составляют пузырьки газовой фазы. Тогда масса жидкости в каждой царге внутри насадки при плотности абсорбента ρ=1100 кг/м3определяется в виде:
[46]
кг.
[47]Наибольшая колеблющаяся масса m1, слагаемая из кассеты 10, колец Рашига 11, стенки кассеты 10, образующей гидрозатвор, опорной решетки 15 и жидкости внутри насадки составляет:
[49]То есть надо подобрать коническую пружину 18 сжатия при нагрузке P на ее витки в пределах:
[51]При n=4, где n – число конических пружин 17, в каждой царге:
[52]P1,2 = (52,6/47,6)/4 = 13,15÷11,9 кг.
[53]Выбираем из таблицы [Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. Изд 3-е, переработанное и дополненное. – М.: Машиностроение, 1967, С. 543] с запасом пружину сжатия с наружным диаметром витка Dн1=20мм и толщиной проволоки d1=3 мм, обеспечивающей в статическом режиме сжатия Pт=22,4 кг и деформацию одного витка f1=1,37 мм, а шаг между витками t1=4,1 мм.
[54]Для статической нагрузки сжатия также с запасом выбираем пружину сжатия с витками, имеющими наружный диаметр Dн2=25 мм, толщину проволоки ту же d2=3 мм, и усилие сжатия P2=18,5 кг, при деформации одного витка f2=2,43 мм и шаге в сжатом состоянии t2=5,07 мм.
[55]При числе витков m=6 (фиг. 4) и среднем шаге в сжатом состоянии tc=(t1+t2)/2=(4,1+5,07)/2=4,58 мм, а также средней деформации одного витка fc=(f1+f2)/2=(1,37+2,43)/2=1,9 мм общая высота конической пружины 17 в деформированном рабочем состоянии:
[56]Hд=(m-1)·tc+2d1,2=(6-1)·4,58+2·3=28,9 мм.
[57]Общая высота конической пружины 17 в свободном состоянии:
[58]H0 = Hд+(m-1)·tc=28,9+5·1,9=38,4 мм.
[59]Таким образом, наибольшая амплитуда колебаний одного витка не должна превышать А1=tc-d1,2=4,58-3=1,58 мм,
[60]а общая Аоб=(m-1)·A1=5·1,58=7,9 мм.
[61]Упругость витков конической пружины 17 для массы m1:
[62]
H/м
[64]
H/м
[65]Тогда частота собственных колебаний для наибольшей колеблющейся масса m1 и для наименьшей колеблющейся масса m2:
[66]
Гц,
[67]а 
Гц.
[68]Следовательно, вышеуказанная частота колебаний вибровозбудителя 5 в 11÷12 Гц обеспечивает резонансный режим работы пружинного маятника, образованного массами m1 и m2 с витками конической пружины 17 с допускаемой амплитудой каждого витка не более 1,58 мм и общей амплитудой не более 7,9 мм.
[69]Рекомендуется массообменный процесс проводить в околорезонансном режиме, например, при частоте вибровозбудителя 5×10 Гц.
[70]Тогда относительная амплитуда вибрации в околорезонансном режиме для средней массы mc=(m1+m2)/2=(50,6+47,6)/2=49,1 кг будет определяться в виде:
[71]
,
[72]где А0 - амплитуда колебаний пружинного маятника, м;
[73]А - амплитуда колебаний вибровозбудителя, м;
[74]b - коэффициент сопротивления жидкости Н/(м/с) или кг/с;
[76]F - сила сопротивления жидкости, Н;
[77]υ - скорость колебания, м/c
[78][Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Государственное издание физико-математической литературы, 1963].
[79]Так как сопротивление жидкости мало b→0, то относительную амплитуду определяем в виде:
[80]
[81]То есть амплитуда колебаний в околорезонансном режиме колеблющейся массы пружинного маятника, состоящего из колец Рашига 11, кассеты 10, опорной решетки 15 и жидкого абсорбента внутри кассеты 10 каждой царги, с конической пружиной 17, в 10 раза больше, чем амплитуда вынужденных колебаний, создаваемых вибровозбудителем 5.
[82]Принимаем резонансную амплитуду А=3 мм (опыты по абсорбции с такой амплитудой проводили в абсорбционной колонне при поглощении углекислого газа водой) [Городецкий И. А., Васин А. А., Олевский В. М., Лупанов П. А. Вибрационные массообменные аппараты / под редакцией В. М. Олевского / М.: Химия, 1980, С. 128].
[83]Тогда амплитуда колебаний вибровозбудителя 5 должна быть А=А0/4,35=3/4,35=0,7 мм.
[84]Такие амплитуды колебаний создают электродинамические и гидравлические вибровозбудители 5 [Г. А. Кардашев. Физические методы интенсификации процессов химической технологии - М.: Химия, 1990, С.49].
[85]Таким образом, использование насадочной колонны, состоящей из корпуса с патрубками подачи и отвода жидкой и газовой фаз, насадок, выполненных в виде кассет с размещёнными внутри кольцами Рашига, желобов, снабженных перераспределителем жидкости и жестко закрепленных внутри корпуса в местах установки насадок, на которых равномерно по окружности, соосно друг другу установлены упорные и опорные пластины, с размещенными между ними коническими пружинами, позволяет повысить скорость тепло- и массопередачи и производительности.
(1), где ν - частота вынужденных колебаний, создаваемых вибровозбудителем, Гц, m1 - наибольшая колеблющаяся масса (опорная решетка с кассетой, кольца Рашига и жидкость в каждой царге), кг, m2 - наименьшая колеблющаяся масса (опорная решетка с кассетой, кольца Рашига в каждой царге), кг, n - число конических пружин в каждой царге, K1 - упругость части витков конической пружины для наибольшей колеблющейся массы, H/м, K2 - упругость части витков конической пружины для наименьшей колеблющейся массы, H/м.
