Насадка для тепломассообменных аппаратов Советский патент 1991 года по МПК B01J19/30 

И oopi н мне OIHOCHUH к констр книям nc)ci i фных (насыпных) насаюк кото |)ыми ос ьапыкнся ко кжные aiinapari) i IH прове кипя процессов теп ю и мае еообмс на протекающих при не посре к гвенном кон такте потоков

Цс1ь и«)брс1снияинтенсификация

теп юмассооПменных протесов ia счег ве 1ИЧСНИЯ поверхности контакта фа ния ема и омыва шя потоками по ве рхнос ти н ic a iwi

На if)ni I ipc кгав1ена наеадка общий ни i на фш 2го же вид сверх на

(|)иг 3 pa ян ртка ie мента

Hacama выношена в ви ie цитинтриче скою ко ibiia I с вн тренним тементом 2 в ви ie спираш Хрхимсма конец которой прикрепкн к копып Г1о всей по чермккги насади имеются отверстия 3

Можно о метить IBC крайности при вы б «pi indMiipa отверс ии и их котичеетва

При ве ичении иммегра отверспш и ix ко шчества на поверхности за мента во фастает чис то еовиа и нни oi ве ре тип мс /к i. витками

(овпатение отверстии (пошос и in час тичное) при во IHT к ме ныне нию по BI рхнос г и контакт, фа i а счет х шн ния смачинания потоками поверхности внчтренних витков к мента насатки в сип проскока и рот поточных фа напрям ю черем совпа тающие от вере гия

При меныпении uiaMeipa огвермин и их ммичсства на поверхности jievuiut паса тки ня i мачивае мое ть пою ками поверхности внутренних витков при оршнгации JRMCHTI наеа 1ки i IKHM оби «)м чтобы обра п ют )я поверхность нмен га бы ia нерпе н UIK 1ярна ос новном нпцмв 1ению движения фа Ьоке тою при iuu пк нии шамсгра отверсмш во ф HI at i v противтение нас л IKH

Gi Ю J

ND

Несовпадение отверстий соседних витков имеет место в том случае, если проекция отверстия наружного (Йб) на внутреннем витке (cri) не совпадает с отверстием внутреннего витка

Сделаем следующие вычисления. Задаемся количеством равномерно распределенных отверстий на наружной поверхности (окружности) Находим угол an из сектора, дута которого равна диаметру отверстия,

т. е.

аи

rf:2.n d 2.т# /

R

icD

диаметр отверстия; радиус окружности элемента. ъп dl. сЈ D

диаметр окружности элемента. Проекция отверстия наружного витка элемента насадки на внутренний виток дает точки с и ) (фиг 2), соединив которые прямыми линиями с центром элемента, получаем гол ОС Угол ai характеризует сектор, в центре которого имеется отверстие на на- витке и отсутствует отверстие на BHV i рением ви i ке.

Для нахождения а. допустим, что спираль Архимеда в пределах данного сектора можно рассматривать как окружность с раит-ом ()и-( i, где a - постоянная спирали Архимеда; ц,угол спирали Архимеда.

гла an - аб равна чорде сд. Обозначим эту хор.тл

Тогда хорда сектору ла ai чере А, ни да

.

мп

ТС/

a Чере

ра Элемента;

io.i сектора.

хорд А находим

ai 2arcsm

2(„;

4

агсмп

2(„

i де /1 хорда сектора;

спирали Архимеда при гте (| i Анаютичным образом находим:

агс -siTi

Л

2р.

J 2Р).ai

агсчщтак как pi() 113. спирали Архимеда равна

d4

Отверстия на спирали должны находиться строго в центре между центрами отверстий на наружной окружности, т. е. центр отверстия на спирали определяется углом

ф2 - ф|

Z

деляющие центры отверстий поверхности элемента.

Тогда радиус отверстий на спирали, которые не совпадают с отверстиями на наружной поверхности, находим как

НГ.

где фа и ф - углы спирали, опре- на наружной

3

г

щ

I2 d(f

Интегрирование дает выражение: ФЛ/ФП +

-f,

OL°

-1п( +

у аЈ ъи&4Щ:& Ъ

Из этого уравнения, считая, что , находим диаметр отверстия d на спирали между углами (f i и qjj, и диаметр отверстия на наружной поверхности d°, центр которого определяется углом фч

Диаметр отверстий с увеличением ф увеличивается, поэтому целесообразно брать среднее значение диаметра:

dl+d,+...+d}t

М

-3

0

S

Игак, для любого количества отверстий на наружной поверхности определяем средний оптимальный диаметр отверстий, стремясь при этом получить диаметр отверстий максимально возможный, но не превышающий половины высоты элемента. Если диаметр отверстий не превышает половины высоты элемента, то отверстие можно сделать в два ряда, что значительно л читает распределение противоточных фаз по сечению колонны, при этом исключается совмещение отверстий в раитых рядах между витками элемента

Стремясь максимально увеличить диаметр отверстий, нельзя уменьшать количество отверстий на наружной поверхности элемента меньше трех, так как при этом возникает анизотропия массообменных и гидродинамических характеристик элемента в зависимости от его ориентации

Итак, оптимальный диаметр это максимально возможный диаметр отверстий, при котором исключается совпадение отверстий, и данный диаметр не превышает вели- чин полувысоты элемента, что позволяет располагать отверстия в элементе насадки в два ряда также без совпадения отверстий разных рядов соседних витков.

В данном элементе насадки значительно повышается равномерное распределение фа

по поверхности насадки и значительно личивается активная поверхность.

Пример. Элемент насадки с наружным диаметром 25 мм и высотой элемента 25 мм. Толщина стенки 0,6 мм, тогда диаметр элемента по средней линии 24,4 мм.

Задаемся двумя оборотами спирали ().

Находим значение константы а:

а-Р.,97,3. Ф 4-3,14

Задаемся тремя отверстиями на наружной поверхности элемента, равномерно расположенными по окружности. Угол между

отверстиями -4-л. о

Диаметр отверстия на спирали находим из уравнения J л/рЧЧр7.

J 10гС.

-

.i После интегрирования получаем

+ in(,)J °

Я

если допустить, что диаметры соседних

отверстий на окружности и на спирали равны, т. е. Ј/,Ј/,, то легко найти эти диаметры при разных значениях ф,.

Для нашего случая в элементе с тремя отверстиями на наружной окружности получаем

ф 2л; Ј/i 5,3 мм;

фг

-|л; Ј/, 8,3 мм,

где р -радиус спирали Архимеда.

угол спирали, определяющим цен i p

отверстий на спирали После интегрирования получаем

inA f-tc&V +i (ф;.)

Центры отверстий одного ряда (нижнего):

отверстия при ф,2л ф -ул

/i 27,6 мм (отверстие 1);

,4 мм (отв 2) на окружности.

Роо

отверстия при (|, ул фу. ол

,8 мм (отв. 3); /, 78,4 + 25,,9 мм (отв 4 на ок ружности);

отверстия при ф , ф, л /, 66,1 мм (отв. 5); s J

.9+25,,4 мм IOIH 6 на ок ружности).

Центры отверстий верхнего ряда отверстия при ул ф | л

,6 мм (отв. 1 ).

// 78.4-12..2 мм (отв 2),

ОТВерСТИЯ При ф, 4-;

/; 54,9 мм (отв

л «f,

i

#т

(отн 4 на ок/, 91.2+25, 16,7 мм ружности);

отверстия при ( f , 4л

/-, 78,4 мм (отв. 5);

/,.7+25..2 ИИ (OIB 6 на ок

ружности).

Изобретение от noun (.я к кот тр книям Нере 1ЯрНЫХ (наеЫПНЫХ liacaiOK MIKI |)ыми оснащаются ко шнные атнрапи мя прове юния upoutctOH теп ю и мае и) н i Цс IB изобретенияmm IK ифика ция н i юмассообменных процессов п счп IH in чения поверхности контакта (pat н чтения смачивания и омывания HOTOKIMH notupx ности насачки Н.ка IK,I сосюит и ни нш i ричсскон) кот)Ца с высоюи pai;non р и расното/к( иного ни iри i кмснта в ни и спираш шиюнип и равжпнрм рас по ю/кенн1 и опнрсшя при юм uiaMiip ОПНрсТИИ Ollpc U 1ЯСТ1Я ПО р,1ВН1НИК i И 1 га Г) i

d(10,3 мм.

Так как диаметры отверстий не превышают величину полувысоты элемента, то можно расположить отверстия в два ряда.

Тогда для другого ряда значения ф, ф,+ . Диаметры при ф, равны:

ф | с/| 7,3 мм; Ј/.,3 мм; ,3 мм.

3 j

Среднее значение диаметра отверстий .8 мм

Для определения положения центров отверстий на спирали Архимеда на развертке элемента насадки необходимо решить интег- рал

f -ar

VP -HPT- f p.

О

На фиг. 3 показана ра ве|пк 1 лемеш i. полученная в реп льгате расчета (Свободное сечение отверстия 5 делается только на спиральной части элемента, а отверстия 2 только на окружности

Значения радиуса спирали от |

ф, л; (| 3.05 мм;

()2 6,10 мм.

ф, (), 7.12

л; (),13 мм.

50

(-, 9,15

мм,

( 10,17 мм.

(); 11.18 мм. р« 12.20 мм.

На основании этих расчетов изготовлена насадка из листовой стали X18HIOT с наружным диаметром элемента 25 мм, высотой 25 мм и толщиной 0,6 мм.

Сравнительные эксперименты по опре- делению эффективности насадок проведены на ректификационной колонне диаметром 150 мм, высотой слоя насадки 1,2 м.

В качестве контрольной смеси использовали смесь толуол - метилциклогексан (содержание метилциклогексана 20 мае. %).

Эффективность насадок определяли при полном возврате флегмы.

В процессе работы колонны без отбора дистиллата отбирали небольшие пробы из куба и головки колонны, определяли в них концентрацию легколетучего компонента. Найденные значения концентраций подставляли в уравнение Фенске и определяли число теоретических тарелок. Зная число теоретических тарелок и высоту насадки в колонне, находили высоту эквивалентную теоретиче- ской тарелке.

Таким образом были определены ВЭТТ четырех типов цилиндрических насадок, изготовленных из стали:

а)кольца Паля 25X25X0,6;

б)предлагаемая насадка 25X25X0,6, но с диаметром отверстий II мм;

в)предлагаемая насадка 25X25X0,6, но с диаметром отверстий 7 мм;

г)предлагаемая насадка 25X25X0,6 (фиг. 1 и 3).

Ниже представлены сравнительные значения ВЭТТ для этих насадок:

0

0

5

Формула изобретения

Насадка для тепломассообменных аппаратов, выполненная в виде цилиндрического кольца с высотой, равной диаметру, с расположенным внутри элементом, имеющим равномерно расположенные отверстия, отличающаяся тем, что, с целью интенсификации тепломассообменных процессов за счет увеличения поверхности контакта фаз, улучшения смачивания и омывания потоками поверхности насадки, элемент выполнен в виде спирали Архимеда, наружный конец которой прикреплен к кольцу, при этом диаметры d, отверстий удовлетворят выражению

,2 Vp2+(p fdcp./. t/ + ал 41пЛ tin. VL 3(Яь-Sl

где ф, - угол спирали Архимеда; D - диаметр элемента насадки; а - постоянная спирали Архимеда; р - радиус спирали Архимеда.

Фиг.1

Фиг. 5

Фиг. г