CS257993B1 - Výměník hmoty s náplní - Google Patents

Abstract

Náplň do výměníku hmoty, zejména pro absorpci nebo rektifikaci, tvořená vláknitou sitovinou z plastické hmoty spočívá v tom, že vlákna jsou umístěna v řadách nad sebou tak, že v místech dotyku jsou pevně spojena a vytvářejí tak vláknitou sítovinu s otvory, jejichž tvar závisí na úhlu mezi vlákny, který svírají v místech dotyku. Vláknitá síto- vina může být různě tvarována a uspořádá ­ na do vrstvy náplně. Charakteristiky vrst ­ vy náplně jsou ovlivňovány základními geometrickými rozměry vláknité sítoviny, jejím tvarováním a uspořádáním ve vrstvě. K vytvoření vrstev se mohou použít bu3 stejně tvarované elementy_sítoviny nebo se mohou kombinovat. Náplň je možné kom ­ binovat s bezpřepadovými patry případně s pohyblivou vrstvou náplně.

Description

Vynález se týká výměníku hmoty s náplní, používaného zejména pro absorpci nebo rektifikaci, lze jej však využít i pro současné sdílení tepla a hmoty nebo sdílení tepla mezi fázemi.

Procesy absorpce a rektifikace jsou velmi významné a rozšířené separační procesy. Jedním z typů výměníků hmoty, v nichž se tyto procesy realizují, jsou kolony s náplní, které patří do skupiny výměníků hmoty se spojitým stylem fází. Výměníky tohoto typu jsou použitelné i pro kapalinovou extrakci, úpravu vzduchu, chlazení plynů ap. V současné době používané náplně kolon jsou nejrůznějšího provedení s poměrně velmi odlišnými charakteristikami.

Ve všech uvedených procesech sdílení hmoty a/nebo tepla má náplň za úkol rozptýlit jednu z obou fází a zvětšit tak mezifázový stykový povrch. Mezi přednosti těchto výměníků hmoty patří jejich velmi jednoduchá konstrukce a poměrně malý pokles tlaku vrstvou. Výměníky hmoty a/nebo tepla jsou kruhového nebo pravoúhlého průřezu a při zajištění dokonalého rozdělení tekutých fází po průřezu kolony pracují velmi spolehlivě.

Jako náplň se používá kusovitá náplň nepravidelného tvaru jako např. koks, křemenná drň ap., nejčastěji však uměle vyrobená tvarovaná náplň určitého geometrického tvaru. Pří volbě druhu náplně se posuzuje měrný povrch náplně, volný objem náplně, chemická odolnost vůči zpracovávaným tekutinám, odolnost mechanická, cena náplně a další faktory.

Mezi klasické typy tělisek uměle tvarované náplně patří Raschigovy kroužky, Lessingovy kroužky, Berlová sedla a mnohé jiné, které se znotovují především z keramiky anebo z kovu. Použitím plastů se významně snížila hmotnost tělísek v jednotce objemu a zvýšila se i chemická a mechanická odolnost náplně. Vytvořená vrstva náplně tohoto typu sestává z jednotlivých tělísek do kolony volně nasypaných nebo pravidelně uložených. Volný objem vzniklé náplně závisí i na způsobu plnění.

V posledních dvou desetiletích byly zavedeny do technické praxe nové typy náplňových kolon pro absorpci a rektifikaci, v nichž náplň je tvořena blokem, v němž jsou z jednotlivých elementů sestaveny kanály pro průtok tekutiny. Elementy používané k vytvoření bloku jsou zhotoveny z drátěného pletiva z nerezové oceli o velmi malém průměru drátu (0,16 mm), případně z plechu kovového nebo z plastů. Materiál pro bloky byl později doplněn tenkostěnnou keramikou. Elementy náplně jsou za účelem vytvoření kanálů v bloku zvlněny, elementy z plechu jsou ještě opatřeny otvory. Sestavením elementů do bloku vznikne vrstva náplně obsahující systém kanálů, jež jsou od osy kolony odkloněny v určitém úhlu. Geometrická struktura různých typů těchto náplní může být modifikována průměrem průtokových kanálů a jejich úhlem, který svírají s osou kolony (obvykle od 30 do 45°). Volný objem náplně dosahuje i vysokých hodnot a pohybuje se v rozmezí od 0,75 do 0,90. Bloky náplně se vyrábějí nejčastěji ve tvaru válců, které jsou vkládány do absorpčních nebo rektifikačních kolon, pro kolony větších průměrů je vrstva náplně sestavována ze segmentů.

Uvedené,typy náplní vykazují nízké tlakové ztráty a velký počet teoretických pater.

3

Měrný výměnný povrch se pohybuje od 250 do 700 m /m u náplní z jemného drátěného pletiva,

3 pro bloky z tenkostěnné keramiky je udávána hodnota 450 m /m a pro náplně z plechů o tlouštce 2 3

0,2 mm hodnota 250 m /m . Jednotlivé typy mají použití podle svých charakteristik. Jejich nevýhodou je poměrně vysoká cena, zvláště v případě náplní ze speciální nerezové oceli potřebné ke zhotovení jemného drátěného pletiva. Tento druh náplně je prakticky nevhodný v případě, kdy systém použitý v daném separačním procesu inklinuje k zanášení. Spatná smáčivost nerezové oceli vodnými roztoky snižující účinnost separace byla později odstraněna použitím plastů a dalších nových typů náplní (bloky zhotovení ze zvlněných perforovaných plechů kovových nebo z plastů a bloky keramické). Keramické bloky dosahují přibližně stejných hodnot měrného povrchu jako náplně z drátěného pletiva s úhlem odklonu kanálů 30°, volný objem se však snížil na hodnotu 0,75 přibližně odpovídající klasickým náplním tvořeným uměle tvarovanými keramickými tělísky dříve uvedenými. Mezi řadu výhod a technicky velmi dobrých parametrů existují i u tohoto druhu náplní některé negativní charakteristiky. Pro bližší znodnocení by bylo nutné přihlížet i k ceně jednotlivých variant těchto náplní, aby bylo možné provést jejich zhodnocení komplexně.

Podstata náplně do výměníku hmoty, zejména pro absorpci nebo rektifikaci, tvořené sítovinou z plastické hmoty podle vynálezu, spočívá v tom, že sestává z vláken umístěných v řadách, přičemž vlákna jsou umístěna alespoň ve dvou řadách nad sebou a vlákna z jednotlivých řad svírají v místech dotyku úhel v rozmezí 20 až 90°, v místech dotyku jsou pevně spojena a vytvářejí tak otvory, jejichž tvar odpovídá úhlu mezi vlákny, který svírají v místě dotyku, sítovina je s výhodou tvarována do spirály, zvlněna například ve tvaru klikatky nebo sinusovky, sítovina, popřípadě její tvarové kombinace jsou s výhodou umístěny ve vrstvách.

Účinky tohoto druhu náplně ve výměníku hmoty jsou příznivé v důsledku zvýšení turbulence proudící tekutiny, zrovnoměrnění rychlostního i teplotního profilu způsobeného homogenizací proudící tekutiny. Volný objem náplně je poměrně vysoký a vytvořený mezifárový stykový povrch je předpokladem zvýšení intenzity sdílení hmoty a/nebo tepla mezi proudícími fázemi. Výměník hmoty lze použít v souprodém i protiproudém uspořádání toku fází. S ohledem na nízkou hmotnost plošné jednotky sítoviny je zvýšení celkové hmotnosti výměníku s použitím této náplně zanedbatelné. Cenové relace použité sítoviny ovlivňují pozitivně volbu daného druhu náplně. Zanášení náplně v případě použití znečištěných tekutin se nechá snadno snížit zvětšením plochy otvoru sítoviny. Použitelné teplotní rozmezí je limitováno druhem plastické hmoty, z níž jsou vlákna sítoviny zhotovena.

Sítovitá struktura náplně podle vynálezu je odlišná od pletiva vzniklého tkaním nebo pletením. Různá uspořádání vláken v sitovité struktuře umožňují měnit v poměrně širokém rozmezí rozměry otvorů, které ovlivňují hodnotu volné plochy sítoviny. Hodnota této veličiny závisí i na tlouštce použitého vlákna. Zvětšení tlouštky vlákna má za následek zvýšení plochy vlákna na jednotku délky a umožňuje tak volbou rozměrů otvorů a tlouštky vlákna měnit v širokém rozmezí základní geometrické charakteristiky náplně, především měrný povrch a volný objem. Posledně uváděná veličina je však značně závislá i na uspořádáni náplně ve výměníku hmoty, především na tvarové úpravě vláknité sítoviny před vytvořením příslušné varianty náplně.

Vláknitá sítovina je nejčastěji ve tvaru plochých pásů nebo má tvar sítové hadice.

Otvory mohou mít například tvar čtverce, kosočtverce ap. Z plastů je vhodným materiálem polyethylen, polypropylen aj. Materiál použitý k vytvoření náplně je korozivzdorný v dosti širokém rozmezí, což je výhodné v případě použití agresivních tekutin a cenově je poměrně velmi výhodný. Volná plocha vláknité sítoviny dosahuje vysokých hodnot: v důsledku toho je hydraulický odpor vrstvy náplně nízký. Nároky na dopravu tekutin výměníkem hmoty se proto ve srovnání s jinými typy náplní podobných vlastností podstatně nezvyšují.

Vláknitá sítovina se nechá s výhodou tvarovat. To umožňuje, vytvořit různě tvarované elementy náplně, z nichž se nechá sestavit řada variant vrstev náplně podle požadavků na volný objem náplně, měrný stykový povrch, hydraulický odpor, ap. Vláknitá sítovina může být např. vytvarována do tvaru klikatky, nebo zvlněna či upravena do tvaru spirály. Ve výměníku hmoty se použijí bu3 stejně tvarované elementy nebo se s výhodou mohou kombinovat.

Tvarované elementy náplně lze například umístit ve výměníku hmoty v jednotlivých vrstvách nad sebou tak, že vrstvy jsou vzájemně pootočeny o 90° a ve výměníku hmoty jsou umístěny přibližně ve vodorovné poloze. Dále je možno tvarované elementy náplně umístit přibližně ve svislé poloze a s výhodou jednotlivé elementy oddělit netvarovaným elementem ploché vláknité sítoviny.

Výměník hmoty s náplní lze kombinovat též tak, že vrstva náplně je umístěna na bezpřepadovém patře nebo je do prostoru mezi vrstvami náplně zařazena kontaktní část s pohyblivou vrstvou kulové náplně.

Vynález je blíže objasněn na výkresech, kde na obr. 1 je znázorněna vláknitá síťovina, na obr. 2 a/ až c/ jsou uvedeny některé možné způsoby tvarování síťoviny, na obr. 3 je uvedeno umístění tvarovaných elementů náplně ve vrstvách nad sebou, na obr. 4 umístění tvarovaných elementů náplně ve vrstvách vzájemně oddělených netvarovaným elementem náplně, na obr. 5 je zachyceno uspořádání elementů náplně stočených do tvaru spirály, na obr. 6 je uspořádání náplně v kombinaci s bezpřepadovými patry, na obr. 7 je uspořádání náplně ve výměníku hmoty s použitím pohyblivékulové náplně.

Vláknitá síťovina sestávající ze dvou řad vláken umístěných nad sebou je znázorněna na obr. 1, z něhož vyplývá charakter sítové struktury i geometrický tvar otvorů v síťovině. Elementy náplně se před sestavením příslušné varianty vrstvy náplně ve výměníku hmoty vytvarují na zvolený tvar. Na obr. 2 a/ až c/ jsou uvedeny některé možnosti tvarových úprav vláknité síťoviny, přičemž obr. 2 a/ představuje tvar klikatky, obr. 2 b/ zvlnění síťoviny a obr. 2 o/ hřebenovité tvarování. Umístění elementů náplně ve výměníku hmoty 2 přibližně ve vodorovných vrstvách nad sebou je v bokorysu uvedeno na obr. 3, kde vrstva náplně z elementů tvaru klikatky /obr. 2 a/ je sestavena tak, že tvarovaná náplň S je vystřídána tvarovanou náplní 2 pootočenou o 90° vzhledem k tvarované náplni 2·

Podobně lze sestavovat do vrstvy i jinak tvarované elementy náplně, případně různě tvarově upravené elementy vzájemně kombinovat. Obr? 4 znázorňuje v bokorysném pohledu výměník hmoty 2 ³ uspořádáním elementů náplně přibližně ve svislém směru. Elementy náplně tvaru klikatky jsou sestaveny tak, že mezi vrstvami tvarované náplně 2 3^e umístěna netvarovaná vláknitá síťovina Π). Toto uspořádáni představuje možnost vytvoření vrstvy náplně ve výměníku hmoty 2 kombinací tvarovaných a netvarovaných elementů náplně. Obr. 5 představuje bokorysný pohled na výměník hmoty 2, ^v němž vrstva náplně je vytvořena z elementů tvarovaných do spirály a umístěných tak, že vrstva tvarované náplně 2 je vystřídána vrstvou tvarované náplně 2 pootočenou o 90°. Na obr. 6 je schematicky znázorněn výměník hmoty 2> v němž je vrstva náplně 2 umístěna na bezpřepadovém patře.

Toto uspořádání představuje kombinaci kolony patrové s kolonou náplňovou, uspořádání toku fází ve výměníku je dle obr. 6 protiproudně. Vstup plynu 2 ^a výstup kapaliny 6 jsou umístěny ve spodní části, výstup plynu 4 a vstup kapaliny 5 v hodní části výměníku hmoty 2- Obr. 7 je schéma uspořádání výměníku hmoty 2 P^ro protiproudný kontakt plynné a kapalné fáze, v němž je v prostoru mezi vrstvami náplně 2 sestavenými z tvarovaných elementů náplně umístěna pohyblivá kulová náplň 7_. Dané uspořádání využívá volného prostoru mezi vrstvami náplně 2, např. ke sdílení hmoty mezi fázemi.

Na obr. 6 je výměník hmoty 2 ³ náplní určený pro styk plynu a kapaliny, který obsahuje vrstvu náplně 2 sestávající z tvarované náplně na obr. 2 b/ a netvarované vláknité síťoviny. Vrstva náplně 2 je tvořena 8 elementy vláknité síťoviny tvarované přibližně do tvaru sinusovky viz obr, 2 b. Tyto elementy jsou sestaveny do soustředných kružnic, tvarované elementy jsou vzájemně odděleny 7 netvarovanými elementy z vláknité síťoviny. Tvarované elementy viz obr. 2 b jsou v absorpční koloně umístěny přibližně ve svislém směru tak, že v axiálním směru absorpční kolony jsou vytvořeny kanály pro průtok tekutin. Vnitřní průměr absorpční kolony je 200 mm, výška jedné vrstvy náplně 200 mm.

Vrstva náplně je umístěna na bezpřepadovém patře o volné ploše 75 %. Výměník hmoty 2 na obr. 6 je uspořádán protiproudně se vstupem plynu 2 ^a vástupem kapaliny 2 ^ve spodní části absorbérů, výstupem plynu 2 ^a vstupem kapaliny 2 v horní části absorbérů. Výměník hmoty 2 3^{e v} horní části opatřen distributorem kapaliny. Vláknitá síťovina použitá k vytvoření náplně sestává ze dvou řad vláken umístěných nad sebou, vzájemně se dotýkajících, vlákna jsou v místě dotyku pevně spojena tak, že vytvářejípo celé ploše otvory prakticky stejného tvaru. Tloušťka polypropylenového vlákna činí přibližně 1 mm, otvory jsou kosočtercového tvaru, vnitřní úhlopříčky mají délky 4 a 3 mm. Experimentálně stanovená hodnota volného objemu dané vrstvy náplně 2 íiní 0,88.

Claims (1)

1. Náplň výměníku hmoty, zejména pro absorpci nebo rektifikaci, tvořena sítovinou z plastic ké hmoty, vyznačující se tím, že sestává z vláken umístěných v řadách, přičemž vlákna jsou umístěna alespoň ve dvou řadách nad sebou, vlákna z jednotlivých řad svírají v místech dotyku úhel v rozmezí 20 až 90°, v místech dotyku jsou pevně spojena a vytvářejí tak otvory, jejichž tvar odpovídá úhlu mezi vlákny, který svírají v místě dotyku, sítovina je s výhodou tvarována do spirály, zvlněna například ve tvaru klikatky nebo sinusovky, ap., a sítovina, popřípadě tvarové kombinace, jsou s výhodou umístěny ve vrstvách.