А в ваших колоннах насадка СПН-3 применяется?

Очень давно, когда мы только начинали продавать наши ректификационные колонны, мало кто интересовался, чем заполнен их внутренний объём - важно было лишь одно, дают они хороший спирт, или нет. Потом появилось многочисленное племя самодельщиков, которых уже интересовал тип насадки («Зульцер», насадка Левина (СПН), «Стедман», кольца Рашига), а также вопрос: «какая насадка самая лучшая?». Мы, как можем, поясняем эти моменты на нашем сайте, но, к сожалению, нас не все слышат, и многие до сих пор думают, что существует одна единственная, на все случаи жизни, «супернасадка». Вот пример типичного утверждения: «СПН-3 - это круто!».

СПН изготавливается способом непрерывной намотки проволоки на вращающуюся пирамидальную оправку. С оправки сходит призматическая спираль, которая затем рубится на элементы. Сыпучий материал из таких элементов и называют спирально – призматической насадкой (СПН).

В СПН-3 цифра указывает на диаметр описанной вокруг спирали окружности, и при этом многие даже не интересуются диаметром проволоки, из которой она изготовлена. А ведь диаметр проволоки – один из важнейших факторов эффективности СПН, хотя есть ещё и другие. Попробуем разобраться. Напомним, что под ректификационными свойствами (или просто эффективностью) любой насадки понимают в основном две её характеристики, которые определяют облик колонны и её возможности:

пропускная способность насадки. Характеризует связь диаметра колонны с её производительностью.
разделительная способность насадки. Характеризует связь высоты колонны с её флегмовым числом.

Для конкретной колонны, если исключить из рассмотрения материал и структуру поверхности проволоки, эффективность СПН определяет её геометрия.

Форма оправки

При изготовлении СПН проволока навивается на вращающуюся пирамидальную оправку, основанием этой усечённой пирамиды может являться любая «угловатая» геометрическая фигура, что обеспечивает «самосцепление» проволоки с оправкой: пластина, треугольник, квадрат, прямоугольник, ромб, эллипс.

В своё время А.И. Левин и А.С. Железняк для анализа эффективности спирально-призматической насадки ввели критерий dхL, где d - размер грани спирали на оправке, а L - длина элемента спирали. Т.е. геометрия спирали была «привязана» к геометрии оправки.

Форма основания оправки определяет форму будущей спирали, но не полностью. Поэтому невозможно сразу сказать, какая форма основания оправки обеспечит максимальную эффективность получаемой на ней насадки. Ниже, для упрощения пояснения, мы будем рассматривать оправки с правильными многоугольниками в основании пирамиды.

В наших исследованиях, в качестве критерия, мы используем реальные геометрические характеристики элементов насадки, получившиеся в результате её изготовления.

Именно они определяют эффективнсть СПН.

Геометрия СПН

Угол при вершине витка

Даже если в основании оправки находятся правильные многоугольники (пластина, треугольник, квадрат), то форма СПН, изготавливаемая на них, все равно будет весьма разнообразной.

Формообразование спирали начинается у основания оправки (на схеме изображено треугольное основание). С каждым оборотом новый виток проволоки ложится на основание призмы и выдавливает с неё предыдущие витки. Однако при сходе спирали с оправки происходит её раскручивание из-за упругости проволоки.

рис.1

Причем раскручивание происходит за счет увеличения радиусов на каждом изгибе проволоки, а следствием этого является «раскрытие» углов при вершинах изгибов в витках.

Степень «раскрытия» углов зависит от:

диаметра получаемой спирали D;
угла при вершине правильного многоугольника;
радиусов при вершинах углов многоугольника;
диаметра проволоки d
жесткости (упругости, нагартованности) проволоки;
степени натяжения проволоки при намотке.

На Рис.1 приведён чертеж «свободного» витка спирали. Его геометрия (и форма всей спирали) полностью определяется углом φ при вершинах каждого угла.

Важно отметить, что из-за «раскрытия» углов геометрия витка может сильно отличаться от геометрии основания оправки, на которой он получен.

Т.е. виток, который представлен на чертеже, мог быть получен как на пластине (Рис.2) с большим «раскрытием» угла - φ=0º+А2 (очень жесткая проволока), так и на треугольнике (Рис.3) с малым «раскрытием» угла - φ=60º+А3 (очень мягкая проволока).

рис.2

рис.3

Диаметр спирали и диаметр проволоки

Диаметр спирали (D) и диаметр проволоки (d) мы поместили в один раздел, поскольку по теоретическим формулам (и результатам экспериментов) оба эти размера влияют как на свободную площадь насадки (аналог её пропускной способности) так и на удельную поверхность насадки (аналог её разделительной способности).

Например, если элемент насадки имеет диаметр D=3мм, длину L=3мм и изготовлен из проволоки с d=0,5мм, то насадку более корректно называть СПН-3х3х0,5, поскольку, например, СПН-3х3х0,3 обладает большей пропускной способностью, чем СПН-3х3х0,5 при том же угле φ.

Но, если сравнивать две СПН с равными пропускными способностями (это не равные диаметры D), то удельная поверхность будет выше у той насадки, которая изготовлена из более тонкой проволоки.

Длина элементов

Спираль, сходящая с оправки, рубится на элементы, длина или количество витков в которых может варьироваться. Почему-то считается, что длина элемента L должна быть равна его диаметру L=D (или L/D=1). Об этом мы спорить не будем, хотя нам в экспериментах показалось, что лучше L/D=0,75.

Шаг спирали

Считается, что шаг навивки спирали должен равняться диаметру проволоки – навивка виток к витку. Однако для улучшения эффективности насадки желательно обеспечить межвитковый зазор, не превышающий диаметр проволоки d.

Но приходится идти на «жертву». Дело в том, что, при малом d, технологически сложно соблюсти точность межвиткового зазора. А его превышение приводит к ухудшению эксплуатационных свойств СПН (спутывание, излишняя податливость слоя), и как следствие, снижение эффективности насадки (из-за неоднозначности укладки, бокового проникновения соседних элементов друг в друга).

Внешний вид СПН

Теперь, разобравшись в геометрии витков, можно посмотреть, как изменяется внешний вид (форма) СПН в зависимости от угла φ при вершинах в витке после навивки (не в оправке!).

Для удобства восприятия форм насадки на всех картинках d, D и R одинаковы.

Отметим, что представленные ниже варианты форм СПН носят чисто иллюстративный характер, и некоторые из них практически не выполнимы.

φ=10º			φ=15º
φ=20º			φ=25º
φ=30º			φ=40º
φ=50º			φ=55º
φ=60º			φ=62º
φ=65º			φ=70º
φ=75º			φ=90º
φ=95º			φ=100º

Проведённые эксперименты показывают, что при фиксированных d, D и R эффективность насадки зависит также и от формы спирали, то есть угла φ при вершинах в витке.

После рассмотрения такого многообразия факторов, влияющих на эффективность СПН, конкретную насадку следует характеризовать (маркировать), например, так: СПН-3/0,5/70/1, где:

название	D, мм	d, мм	φ, гр	L/D
СПН	3	0,5	70	1,0

Или более привычно СПН-3х3х0,5х70

Только после проведения прямых ректификаций для конкретной задачи мы принимаем решение о применении той или иной СПН с её конкретной геометрией.

Так какую - же «СПН-3» вы всё-таки имели в виду?

← пред.

К оглавлению : О чем Вы часто спрашиваете

след. →