Насадка для тепломассообменных аппаратов

 

НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ с трехфазным псевдоожиженным слоем, каждьй элемент которой выполнен в виде многозаходного 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.

C0lO3 COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (r9) (r r>

4(>rr В 01 D 53 20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3648617/23-26 (22) 04. 10.83 (46) 15.04.85. Бюл. 1(14 (72) Ф.В.Козак, В.Г.Овчаренко, Т.Л.Левицкий, И.И.Сенечко и И.В.Жаровский (71) Ивано-Франковский институт нефти и газа, Ивано-Франковское производственное объединение "Прикарпаттрансгаз" и Калушское производственное объединение "Хлорвинил" им. 60-летия Великой Октябрьской социалистической революции (53) 66.074.513(088.8)

{56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 281415, кл. В 01 D 53/20, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР

1(691171, кл. В 01 D 53/20, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР

У 484715, кл. В 01 D 53/20, 1982 (прототип). (54) (57) НАСАДКА ДЛЯ ТЕПЛОИАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ с трехфазным псевдоожиженным слоем, каждый элемент которой выполнен в виде многозаходного 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.

150008 2

1О

30

К недостаткам данной насадки следует отнести сложность конструкции, что делает невозможным изготовление ее в массовых количествах. Кроме то З5

ro, на внутренних поверхностях насадки возможны отложения загрязнений и продуктов реакций, а это, в свою очередь, приводит к снижению эффективности аппарата. 40

Известна насадка, каждый элемент которой выполнен в виде многозаходного винта (3) .

Эта насадка предназначена для использования в аппаратах с неподвиж- 45 ным слоем насадочных элементов. Применение ее в аппаратах с трехфазным псевдоожиженным слоем невозможно, так как при условии малых значений отношения высоты элемента насадки 50 к диаметру она потоком газа отбрасывается к стенке аппарата и не псевдоожижается, а при больших значениях указанного отношения псевдоожижение неосуществимо вообще. 55

Цель изобретения — улучшение однородности псевдоожижения путем выравнивания гидравлического сопротивле1 1

Изобретение относится к аппаратурному оформлению процессов тепло-" обмена, 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 Ц .

Укаэанная 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, расположенными под углом

;к образующей тела вращения, и содер жащая во внутренней полости дополнительный элемент в форме гиперболического параболоида j2) . ния элемента насадки при различной ориентации его к потоку газа.

Цель достигается тем, что в насадке, каждый элемент которой выполнен 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.

Эффективность работы тепломассообменного аппарата с трехфазным псевдоожиженным слоем в сильной мере за висит от однородности псевдоожижения.

В случае псевдоожнжения твердых тел 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 твердыми телами (насадкой) и при- водит к уменьшению эффективной поверхности контакта фаз. Последнее ухудшает протекание тепломассообмена.

Известно, что с отклонением формы псевдоожижаемых тел от сферической 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 плаj не с учетом поворота винта,на 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 следующим образом.

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

Изложим методику определения требуемой высоты элемента на<:адки ва примере четырехзаходпо (. винта (фиг. 3 и 4). У1О» BoBof)oT а винтовой

1150008 4

Сила лобового сопротивления насадки R равна ()2

2 где — коэффициент лобового сопротивления элемента насадки зависящеи от формы насадки числа Рейнольда и других параметров;

S — площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения газа, P — плотность газа, Ц вЂ” скорость газа.

В случае равенства сил сопротивления .элемента насадки в двух основных

20 его положениях, изображенных на фиг. 3, имеем

R»I или с учетом (3) при одинаковых я, р

S> Яdf4 (1) где d — диаметр насадки.

Фронтальную площадь проекции насадки (в плоскости хоу) можно представить в виде суммы двух заштрихованных площадей

Б»р= Б» + Б

Используя параметрическое уравнение винтовой линМи при условии, что искомая элемента насадки h», имеем

hl8

5,-RJ асов-"4„ о

hi

s,= (> ы+,, hI8

25 где Ь = --и.

Ь,2

Тогда (. h b»»1 зо

5 =2d B si»I — 4 соз — -coo — J („ >)

Т ьь ьь и .

Аналогично решается задача с большим или меньшим четырех числом винтовых лопастей.

При двухзаходном винте, как показывают расчеты, получаются малые соотношения h:d, что делает невозможным изготовление насадки из полимерного материала методом непрерыв- 50 ной экструзии с последующей, резкой винтового стержня.

Указанное соотношение площадей проекции от 0,85 до 1 обеспечивает одинаковую силу сопротивления эле- 55 мента насадки движущейся среде при

l,ðàçëè÷Hîé ориентации его к направленин> лвижения газа.

45 линии отсчитываем от оси z в направлении против часовой стрелки.

II

При (f = или подъеме по винту (ось х), íà h/4, где h — шаг винта, происходит полное перекрытие сечения лопастями, в плоскости zoy и площадь проекции насадки в плане составит

Если, например, требуется рассчитать насадку с соотношением

Б /Б„, то, приравняв выражения (1) и (2), получаем уравнение с одним неизвестным h1. Откуда

II»= — c»I ccos «Г2 ) .

I» ъЧ1

Ы 1 ) Отношение сил сопротивления в этом случае равно

На фиг. 5 представлена полученная на стенде опытная зависимость отноше.ния сил сопротивления Rq/R n от отношения площадей проекций S /Б для и одиночного элемента насадки, из которой следует, что равенство R»p =R имеет место при S< » 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, нри Б» /S„ = 0,6 элементы насадки ориейтируются к потоку газа фронтальной проекцией, отбрасываются к стенке аппарата, где остаются неподвижными. Образовавшийся

"колодец" устойчив и это делает невозможным псевдоожижение. С увелиЮ 11 чением S /S„сверх 1, 1 при псевдоожижении наблюдается интенсивное поршнеобразование: часть слоя насадки движется в виде поршня, амплитуда колебаний уровня слоя достигает

100Х-ного значения динамической высоты слоя

Таким образом, при соблюдении соотношения S /S> îò 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, вынуждает его вращаться вокруг собственной оси.

Вращение элементов насадки обуславливает увеличение степени турбулентности потоков, чем оказывает интенсифицирующее воздействие на процессы теплообмена, массообмена и химических реакций, Интенсивность вихревых .

50008 потоков, возникавших вокруг каждого из элементов насадкй при их вращении, увеличивается с увеличением частоты вращения элемента насадки, т.е. с

5 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.е данная насадка эффективно работает на запыленных средах и в условиях образования твердых продуктов реакций.

Испытания винтовой насадки в колонне поликонденсации карбамидной рр смолы показали, что предлагаемая насадка эффективна в работе, а отложения на поверхности насадки практически отсутствуют. а, 0

Фиг, 5 а, s 1 оооо

f,0

1 Z

14 бф/ Бп