Насадка для тепломассообменных аппаратов Советский патент 1985 года по МПК B01D53/20 

«

изобретение относится к аппаратурному оформлению процессов теплообмена, абсорбции, ректификации, кристаллизации, в которых используется принцип псевдоожижения, в частности к насадкам тепломассообменных аппаратов с трехфазным псевдоожиженным слоем (газ-насадка-жидкость) .

Известна насадка, выполненная в виде пустотелого цилиндра с лопастями, расположенными под углом к образующей цилиндра (Т .

Указанная насадка, имея развитую поверхность контакта фаз, сложна в изготовлении. Кроме того, на внутренних поверхностях насадки возможны отложения продуктов реакций, так как внутренние поверхности насадки не могут очищаться другими элементами насадки, что приводит к ухудшению ее характеристики, а это, в свою очередь, влечет ухудшение тепломассообмена.

Известна насадка, выполненная в виде тела вращения с наружными лопастями, расположенньми под углом -,к образующей тела вращения, и содержащая во внутренней полости дополнительный элемент в форме гиперболическо.го параболоида jfj .

К недостаткам данной насадки сле -дует отнести сложность конструкции, что делает невозможным изготовление ее в массовых количествах. Кроме того, на внутренних поверхностях насадки возможны отложения з.агрязнений и продуктов реакций, а это, в свою очередь, приводит к снижению эффективности аппарата.

Известна насадка, каждый элемент которой вьшолнен в виде многозаходного винта (У) .

Эта насадка предназначена для использования в аппаратах с неподвижным слоем насадочных элементов. Применение ее в аппаратах с трехфазньм псевдоожиженньм слоем невозможно, так как при условии малых значений отношения высоты элемента насадки к диаметру она потоком газа отбрасывается к стенке аппарата и не псевдоожижается, а при больших значениях указанного отношения псевдоожижение неосуществимо вообще.

Цель изобретения - улучшение однородности псевдоожижения путем выравнивания гидравлического сопротивле500082

ния элемента насадки при различной ориентации его к потоку газа.

Цель достигается тем, что в насадке, каждый элемент которой выполнен 5 в виде многозаходного винта, последний выполнен с отношением площадей проекций на плоскость, параллельную оси винта, и на плоскость, перпендикулярную оси винта, равным 0,85-1,00. (О Эффективность работы тепломассообменного аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем в сильной мере зависит от однородности псевдоожижения. В случае псевдоожижения твердых тел 5 газом неоднородность слоя всегда

имеет место и проявляется в том, что через слой систематически прорываются нераздробленные пузыри газа, взвешенные твердые тела неравномерно распределяются по высоте слоя, высота слоя колеблется с большой амплитудой. Все это ухудшает контактирование газовой фазы с жидкой, и с взвешенными твердьми телами (насадкой) и приводит к уменьшению эффективной поверхности контакта фаз. Последнее ухудшает протекание тепломассообмена.

Известно, что с отклонением псевдоожижаемых тел от сферической Q неоднородности слоя увеличиваются. Объясняется это неодинаковым гидравлическим сопротивлением несферического тела при различной его ориентации к направлению движения газа.

На фиг. 1 изображен элемент предлагаемой насадки-, общий вид, на фиг. 2 - вид в плане ,на фиг. 3 - вид в плаi не с учетом поворота винта;па фиг. 4 его фронтальная проекция, на фиг. 5 график зависимости площадей от сил сопротивления.

Насадка представляет собой многозаходный винт 1 с числом винтовых лопастей 2 не меньше трех. Высота элемента насадки выбирается из условия обеспечения соотношения площади проекции фронтальной к площади проекции в плане от 0,85 до 1,

Насадка работает следую1и11м образом.

Под действием потока газа жидкость начинает врап1аться, что способствует турбулизации слоев.

55 Изложим методику определения требуемой высоты элемента насадки на примере четырехзаходиоги пинта (фиг. 3 и ) . Yioir )т-а винтовой 5 линии отсчитьгеаем от оси z в направлении против часовой стрелки. При Ч 2 подъеме по винту (ось х), на h/4, где h - шаг вин та, происходит полное перекрытие сечения лопастями, в плоскости zoy и площадь проекции насадки в плане составит 8„ (1) где d - диаметр насадки. Фронтальную площадь проекции насадки (в плоскости хоу) можно пр ставить в виде суммы двух заштрихо ванных площадей 8ф S, + Sg. Используя параметрическое уравнение винтовой при условии, что искомая элемента насадки h., имеем , 5, 2 асо5|4х , . Ь, Sj 2 (i-ein| X , h/8 где b у-в. .. 2d8(.inf coe -cosf) ( Если, например, требуется рассчитать насадку с соотношением БФ/ЗП, то, приравняв выражения (1) и (2), получаем уравнение с одним неизвестным hj. Откуда .)Аналогично решается задача с бо шим или меньшим четьфех числом вин товых лопастей. При двухзаходном винте, как показывают расчеты, получаются малые соотношения h:d, что делает невозможным изготовление насадки из пол мерного материала методом непрерыв ной экструзии с последующей, резкой винтового стержня. Указанное соотношение площадей проекции от 0,85 до 1 обеспечивает одинаковую силу сопротивления элемента насадки движущейся среде при {.различной ориентации его к направленито движрния газа. 08 , . . 4 , Сила лобового сопротивления насадки R равна - коэффициент лобового сопротивления элемента насадки, зависящей от формы насадки, числа Рейнольда и других параметров; площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения газа, р - плотность газа, со - скорость газа. В случае равенства сил сопротивления .элемента насадки в двух основных его положениях, изображенных на фиг. 3, имеем f. R или с учетом (3) при одинаковых со, д i(f,-S n-Sn. Отношение сил сопротивления в этом случае равно Rep Чд)-5ф п п-5п На фиг. 5 представлена полученная на стенде опытная зависимость отношения сил сопротивления п отно шения площадей проекций S а /S „ для одиночного элемента насадки, из которой следует, что равенство R К„ имеет место при Sm / S 0,91. Визуальные наблюдения характера псевдоожижения насадки с соотношением от 0,8 до 1,05 показали, что в этом диапазоне однородность псевдоожижения, оцениваемая амплитудой колебания динамической высоты слоя и распределением насадки по высоте слоя, имеет примерно одинаковое значение. Вне заштрихованного диапазона однородность псевдоожижения заметно ухудшается. Так, при 8ф/5„ 0,6 элементы насадки ориентируются к потоку газа фронтальной проекцией, отбрасываются к стенке аппарата, где остаются неподвижными. Образовавшийся колодец устойчив- и это делает невозможные псевдоожижение. С увеличением Sj,/Sj, сверх 1,1 при псевдоожижении наблюдается интенсивное поршнеобразование; часть слоя насадки движется в виде поршня, амплитуда колебаний уровня слоя достигает 100%-ного значения динамической высоты слоя.

Таким образом, при соблюдении Соотношения от 0,85 до 1,00 (эти значения принимаем для гарантированного достижения результата) слой элементов винтовой насадки нормально псевдоожижается с достаточной однородностью.

Поток газа, воздействуя на лопасти элемента насадки, вьшуждает его вращаться вокруг собственной оси. Вращение элементов насадки обуславливает увеличение степени турбулентности потоков, чем оказьюает интенсифицирующее воздействие на процессы теплообмена, массообмена и химических реакций. Интенсивность вихревых

потоков, вояникающих вокру каждого из элементов насадки при их вращении, увеличивается с увеличением частоты вращения элемента насадки, т.е. с

увеличением скорости набегающего на лопасти потока сжижающего агента. Так как данная насадка не имеет внутренних поверхностей, то при интенсивном ее движении в слое отложения,

образующиеся на поверхности винтовых лопастей, очищаются другими элементами насадки и выносятся жидкостным потоком, т.ё данная насадка эффективно работает на запыленных средах

ив условиях образования тверДых продуктов реакций.

Испытания винтовой насадки в колонне поликонденсации карбамидной смолы показали, что предлагаемая

насадка эффективна в работе, а отложения на поверхности насадки практически отсутствуют.

НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ с трехфазным псевдоожиженным слоем, каждьй элемент которой выполнен в виде многозаход- ного винта, отличающаяся тем, что с целью улучшения однородности псевдоожижения путем выравнивания гидравлического сопротивления элемента насадки при различной ориентации его к потоку газа, винт выполнен с отношением площадей проекций на плоскость, параллельную оси винта, и на плоскость, перпендикулярную оси винта, равным 0,85-1,00.

Фиб.г

Фие.У

Фиг А