Насадка для тепломассообменных аппаратов
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
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
H 0!
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А 8TOPCKOf4V СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКР(>(ТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (2! 445(5), 37,<2() (22! 05.07 (3)3 (46! 5.02 <)1. 1>>ОЛ.,л(Ъ 6 (7! Вс(«<)K>3HI fjj научно-исследовательский инсгиl) г синтетиче(кил и натуральнь!л ду>н и("(ы х Вс !цест В (72! В. Г. Гво (дар«в, 3 (3 К>)ни(икова,, 1 H. (.ал!ойлик и H (:. I o, I>,(5>(в (53 6().074.5) I 3 (08)3.8 (56! Ко(;)и В. В., X
1! «>ор« I(ни«о Ио«ит(я к констру кцияч
ll(P(. l <, 1 и PHhi x (I I<3(l>1fl н ы < ) нс> 3 1о к, которыми <)сная;IK) lñÿ ко.н>нны«аппараты д, IH
lip(>H«;ц ния нро>ц ссoH тепло- и массообч HH, протскан>гнил IlpH н«и<)средств«ином hoHтHK I(IIOTOhOI3
11«Г)ь и lo()p(. 1«ния интенсификация тен.<1ол!(>ссообчс ннык иро!1«с«oB 33 счет v t3(,iH l«íèÿ II<>H(p>.tfo«TH контак га фаз, улучгне13ИЯ СМИ-IH13311HЯ И ОЧЫВ3!!ИЯ НОТОКачн IIOи(РКНОС ГИ Н;1 <) IKH.
1 1 1 <(>и(. (Il p(. 1(. та в.l(н
Вид: на фи(. 2 то же, вид евер у; на фиг., 3 — p3 (В«ртка s. I«)I«íT 3.
I13(3дк3 выполнена в виде цилиндрического ког!(,ц(! I (Внутренним элементом 2 и вид«спирали Лр.(имела, наружный конец кот<>рои нрикре1>лен h кольц), Г1о всей Вовс р, н(>с ги н;>садки и чек)тся отверстия 3
Мо кно oT÷«T33TI, IB«крайности нри вы()<>p(диалц I р;> отверстий и Нх количества.
„„SU, 1627229 A 1
2 ()4) I1А(.Л t KЛ;1, 1)1 Т(.. I I, 1(). ((Л(.(,()()1> . > В К Г1 Ы Х A(111 Ë Ð À T () H (57! Изобр«тени(отно ится h h()H(гр) кци>1 ч
НЕР«ГУ,!ЯРНЫК (!3(>СЫННЫЛ НЗС;I,t<>hh Ко)<> ры чи осна)цак) тся ко, ц> ни ы ;31111!3 p 11«ль изобретения инт(нсифик 1 I;3(),f. 11ри увс IH÷ении ди;)ч«т р;1 отв(рсгий и,<л количесTB;I 133 ио>3(р;ности э з«чс HT;l наса.(к H возра(т<)ет ч и(.,lo (o fill, I.f(HH и о Гв« р(ти и <1(,+<ду виткачи. (овнаденlt(îTH«ðс гий (Iio, I Ho(или l ПОтОКаМИ ИОВЕРКНОСГИ ВНУтР(ННИ. ВнтКон элс мента насадки в силу «иро(кок(!» Ирогивоточ!>ых фаз нанрячуK) чере 3 совнадак>>ци( от Версти я. 1(ри ул!енt>ill«нии (H И ИЛ КО, III ЗОЧ, ЧтОбЫ ОбраЗуK)lil<3H !И>В(p tl(> тЬ э. 1(Ч(и та с>ыла Il(.PII(Hдик)лЯРна о(и< вн<>ч) H;lllP, 113 ,!сник> движения фа.> 13<).1«(того, lipè ) ч(нь Н)С НИ)1 .1иа Ч<. T P;1 ()Т В(P()f H ВО (P;I (Г<3(I противлеHèå на: ).lhH (627229 11»совпадение отверстий соседних витков имеет место в том случае, если проекция отверстия наружного ((1б) на внутреннем нитке (г<)) не совпадает с отверстием внутреннего витка. < ..дечасм следующие вычисления. Задаемся количеством равномерно распределенных Отв»Р»тий llrl НаРУжНОЙ ПОВЕРХНОСТИ (ОКРУжностч<) . Находим угол я(> из сектора, дуга I (>co()<>l равна диаметру отверстия, т. е. «<) =((е: d= 2ë сГ Я> = 2лй R г.ц (t диаметр отверстия; радиус окружности элемента. Я» ((о д 2 2R D г1» 0 диамстр окружности элемента. 11ро»KIIHH отверстия наружного витка ЭЛСЧ»пта )па»с1ДКИ На ВНУтРЕННИй ВИТОК ДаЕт T() <ки (и () (фиг. 2), соединив которые прячычи линиями с центром элемента, попучасм угол я>. Угол ч> характеризует сектор, в центр» которого имеется отверстие на нару кноч витке и отсутствует отверстие на Вну1 ренн»ч ш! (Кс. .1ля н<>хожд»ния я> допустим, что спира,>ь Ар (ич»д I в пределах данного сектора можно рассматривать как окружность с ра(иу<оч f)=«((>, где а постоянная спирали Архич»д>1; ((, угол спирали Архимеда. T<)l.I;I i<)()1;I гла и > — аб равна хорде С(. IT()()c. Х Г,lrl Х> (C). 06ОЗНаЧИМ Эту ХОрду >1» р»з .-1, г<)1 ьа Л=2И ° 1пм& р 2 г 1» R р;(.И)ус элемента: x. 1«,1 сектора. l<. ()t. 1 хордх А на хо.1им vl o.1 я>.. cx,=2);Iã»ÿï Я 2р>., с A — =;1ГС В)ив 2 2f)1, гд» (1 хорд;1 сскгора: > )<1,1>I 3 » спирали Архимс 1а при yrI<.r Ан;1,1(>>и п<ым образом находим: ,Д == с) Г» . В>П вЂ”; 2р Яч, ВФ вЂ” = )ГСВ>П вЂ”. Х 2р> 1(рич»ч 9,,ак (ч>, так как f)1(f)l(f)1. :1лина дуги спирали Архимеда равна =,(::р(>р а =у(,т+ + + IrrI >+ rч +I>1 Отверстия на спирали должны находиться строго в центре между центрами отверстий на наружной окружности, т. е. центр отверстия на спирали определяется углом 5, гле rp) и rpr — уг.чы спирали, опрея деляющие центры отверстий на наружной поверхности элемента. Тогда радиус отверстий на спирали, ко10 торые не совпадают с отверстиями на наружной поверхности, находим как J>+Я Я 2 2 г,= ) -(р<+ Интегрирование дает выражение: rI — — — = (<Рч,> +1 + Х 20 +(п((р+ i > 2г (р Из этого уравнения, считая, что dl=d, находим диаметр отверстия ((ч на спирали между углами Диаметр о гверстий с увеличением увеличпва»т»я, поэтому целесообразно брать среднее значение диаметра: d= (а 1 + dr +... + d >(V Итак, для любого количества отверстий на наружной поверхш>сти определяем ср»,1ний оптимальный диаметр отверстий, »тр»ЧЯСЬ II()H этОМ ПОЛУЧИТЬ ДИаМЕтР Отв»Р»тий чаксимально возможный, но не прсвышак)>Пи и п().lови н!л1 Высоты э1»м»HT3. 1 »,1и 1иаметр отверстий не превышает полонины высоты элемента, то отверстие можно сделать В lва ряда, что значительно lc)ó÷øà»T рас10 пред»ление противоточных фаз по сечению кол<шны, при этом искчючается <х)В.<сш»нис отверстий В разных рядах между Витками элс мента. <.Трсмясь максимально увеличить диа4;> метр отверстий, нельзя уменьшать количество отверстий на наружной йовсрхн<>сти элемента меньше трех, так как при этом возникает анизотропия массообменных и п<дродиначических характеристик элемента в зависимости от его ориентации. 50 Итак, оптимальный .1иачстр это максимально возможный диаметр отверстий, при котором исключается совпадение отверстий, и данный диаметр не превышает неличину полувысоты элемента, что позволяет располагать отверстия в элементе насадки 55 в два ряда также без совпадения отверстий разных рядов соседних витков. В данном элементе насадки значительно повышается равномерное распределение фаз 1627229 отверстиями — л. <р =-f ë; d =8,3 мы; <р =Зл; d>=9,3 мм; Ч 4=-3 л; ())=8,13 ыы <р =Зл; f>;=9,15 мы <Р6=) л В = )0.1/ н(ы; g<> <р = л; d 11,3 мм. 1 з 3" 50 р.= Х"::-= l j. и <рк=4Л; р,.= (2).20 ЫЫ. 5 по поверхности насадки и значительно уве 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 (гр=4л) . Находим значение константы а: р 12,2 а= = =0,9713. 10 <р 4 3,14 Задаемся тремя отверстиями на наружной поверхности элемента, равномерно расположенными по окружности. Угол между Диаметр отверстия на спирали находим из уравнения У;+Ф >) =2 j и<> ->-<< ) d)). g асс 4 %Ф;)).ф Яа. 5g После интегрирования получаем ),=а(>)-Д + < + + >п<н+и))+>)(! *., 9I  Если допустить, что диаметры соседних отверстий на окружности и на спирали раво ны, т. е. d,=
J ëÿ нашего случая в элементе с тремя Д. отверстиями на наружной окружности получаем <р> — — 2л; d>=5,3 мы: Так как диаметры отверстий не превы- 40 шают величину позувысоты элемента, то можно расположить отверстия в два ряда. Тогда для другого ряда значения <(,= Диаметры при <р, равны: 45 т <р>= — л; d>=7,3 мм; Среднее значение диаметра отверстий d=8,8 мм. Для определения положения центров отверстий на спирали Архимеда на развертке элемента насадки необходимо решить интеграл б где (> — радиус спирали АрхиыЕ)(;). » угол спирали, определякнции (в и (j) В отверстий на спирали. После интегрирования получ;ц м > н= (,",.нч +I +In< „" +>,„- »(Центры отверстий одного ряда (нижнего): отверстия при ;= з/>=27,6 мм (отверстие 1); ! >=78,4 мм (отв. 2) на окружности: отверстия при <(,= л y . =3л! >=44,8 мм (отв. 3); ! >=78,4+25,5=103,9 мм (отв. 4 и;(<)hружности); отверстия при <р,= л /-,=66,1 мм (отв. 5); ) l„= 103,9+25,5=129,4 х(н((о(в (i и;(окружности) . Центры отверстий верхнего ряда отверстия при <р,= л <р — 8 „ 3 МЗл lI =35,6 мм (отв. 1); ! > = 78,4--12,8=91,2 ы н> { отв ) ), отверстия при <(.,= л <г (,(к=о4,9 мы (отв. 3); l> =91,2+25,5=1! 6,7 ыы (отв. 4 ((;> окружностии ); отверстия при l< — — 16,7+25.5=143,2 1111 (отв 6 н;) <>к ружности) . На фиг. 3 показана ра )вертк;) э,(он(< н(.(, полученная в резуль гате j);>< «v(;(. (.вобо (н<>< сечение отверстия 5 делается T<),>üê<) н;) спиральной части элемента,;) отверстия только íà окружности. Значения радиуса сипри l>(ог <(<р> — — л; р(=3,05 мы: <р — 2л, р>=6,10 ыы. 1627229 На основании этих расчетов изготовлена насадка из листовой стали XISHIOT с наружным диаметром элемента 25 мм, высотой 25 мм и толщиной 0,6 мм. Сравнительные эксперименты по определению эффективности насадок проведены на ректификационной колонне диаметром ! 50 мм, высотой слоя насадки 1,2 м. В качестве контрольной смеси использовали смесь толуол — метилциклогексан (содержание метилциклогексана 20 мас. %) . 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 теоретической тарелке. Таким образом были определены ВЭТТ четырех типов цилиндрических насадок, изготовленных из стали: а) кольца Паля 25Х25Х0,6; б) предлагаемая насадка 25Х25Х0,6, но с диаметром отверстий 11 мм; в) предлагаемая насадка 25Х25Х0,6, но с диаметром отверстий 7 мм; г) предлагаемая насадка 25Х 25Х0,6 (фиг. 1 и 3). Ниже представлены сравнительные значения ВЭТТ для этих насадок: ВЭТТ, % Тип насадки 131 Кольца Паля Насадка с диаметром отверстий 11 мм Насадка с диаметром отверстий 7мм Предлагаемая насадка 108 ll0 100 Формула изобретения г., где р, — угол спирали Архимеда; D — диаметр элемента насадки; а — постоянная спирали Архимеда; р — радиус спирали Архимеда. Насадка для тепломассообменных аппаратов, выполненная в виде цилиндрического 15 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, 20 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 25 р фМ-й ,) Ф d,=2 (р +(р ) d(p, а с1д 2> «л I627229 (оетавитеаь Л I3>.<ан<>в Реда ктор Т Л а «>р< н ко Текрел Л. Кранч3 к Корректор 31:3ра< и и. 3а к и а 300 Тира>к .3 >4 I1<>авион<и I3HIII1IIl1 Гол карета. нного ко>иитет<< r«> и и>бр««ниии и откр<«ии >< ири I I< II I « . .< Р l I 30:3;), М<>< кв«, Ж,3о, I àl и. >;<>< ii;i flp<»«н > <етненн<> « <лател< <кий комоинат 
