СПН (спирально-призматическая насадка) изготавливается путем непрерывной намотки проволоки на вращающуюся пирамидальную оправку. С оправки сходит призматическая спираль, которая затем разрезается на элементы. Эти элементы составляют сыпучий материал, образуя СПН.
В СПН диаметр окружности, описываемой вокруг спирали важен, но многие не обращают внимания на диаметр проволоки, из которой она изготовлена. Диаметр проволоки является одним из важнейших факторов эффективности СПН, хотя есть и другие факторы.
Давайте разберемся подробнее. Напомним, что под эффективностью любой насадки, или ее ректификационными свойствами, обычно понимают две основные характеристики, которые определяют форму колонны и ее возможности:
- Пропускная способность насадки. Эта характеристика связана с диаметром колонны и ее производительностью.
- Разделительная способность насадки. Эта характеристика связана с высотой колонны и флегмовым числом.
Для конкретной колонны, если не учитывать материал и структуру поверхности проволоки, эффективность СПН определяется ее геометрией.
Какие формы оправки могут быть для производства спн
При изготовлении СПН проволока наматывается на вращающуюся пирамидальную оправку, а основание этой усеченной пирамиды может иметь различную “угловатую” геометрическую форму, такую как пластина, треугольник, квадрат, прямоугольник, ромб или эллипс. Это обеспечивает хорошую связь проволоки с оправкой, называемую “самосцеплением”.
А.И. Левин и А.С. Железняк предложили критерий dхL для анализа эффективности спирально-призматической насадки, где d – размер грани спирали на оправке, а L – длина элемента спирали. Таким образом, геометрия спирали связана с геометрией оправки.
Форма основания оправки определяет форму будущей спирали, но не полностью. Поэтому нельзя однозначно сказать, какая форма основания оправки обеспечит максимальную эффективность насадки. В нашем исследовании мы рассматриваем оправки с основаниями в виде правильных многоугольников для упрощения объяснения.
В этом исследовании использовались реальные геометрические характеристики элементов насадки, которые получаются в процессе ее изготовления. Именно эти характеристики определяют эффективность СПН.
Влияние угла формы на вершине витка
Даже если в основании оправки находятся правильные многоугольники, такие как пластина, треугольник или квадрат, форма СПН, изготавливаемая на них, все равно будет разнообразной (рис. 1).
Формирование спирали начинается у основания оправки (на схеме показано треугольное основание). С каждым оборотом новый виток проволоки ложится на основание призмы и выталкивает предыдущие витки. Однако при сходе спирали с оправки происходит ее раскручивание из-за упругости проволоки.
Раскручивание происходит за счет увеличения радиусов на каждом изгибе проволоки, что приводит к “раскрытию” углов при вершинах изгибов в витках.
Степень “раскрытия” углов зависит от следующих факторов:
- 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. 2) показан 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 значительно отличаться от геометрии основания оправки, на которой он был получен.
То есть виток, изображенный 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).
Значение диаметра спирали и диаметра проволоки
Диаметр спирали (D) и диаметр проволоки (d) влияют на свободную площадь насадки (пропускную способность) и удельную поверхность насадки (разделительную способность). Поэтому мы объединили эти размеры в один раздел.
Например, если элемент насадки имеет диаметр D=3 мм, длину L=3 мм и изготовлен из проволоки с диаметром d=0,5 мм, то насадку корректнее называть СПН-3х3х0,5. Сравнивая ее с насадкой СПН-3х3х0,3 при том же угле φ, СПН-3х3х0,3 будет обладать большей пропускной способностью.
Однако, если сравнивать две насадки с одинаковой пропускной способностью (т.е. равными диаметрами D), то насадка, изготовленная из более тонкой проволоки, будет иметь большую удельную поверхность.
Длина нарубки элементов спн
Спираль, сходящая с оправки, разрезается на элементы, и длина или количество витков в этих элементах может варьироваться. Обычно считается, что длина элемента L должна быть равна его диаметру L=D (или L/D=1). Хотя мы не будем спорить на эту тему, в наших экспериментах мы заметили, что значение L/D=0,75 может быть более предпочтительным.
Здесь важно отметить, что выбор оптимального значения L/D может зависеть от конкретных условий и требований при применении СПН. Разные сочетания длины и диаметра элемента могут влиять на эффективность насадки, ее пропускную способность и разделительную способность.
Исследования и эксперименты могут помочь определить оптимальные значения L/D для конкретных задач и условий. Поэтому важно учитывать результаты и опыт при выборе длины элемента в соотношении к его диаметру.
Шаг спирали во время намотки
Шаг навивки спирали обычно рекомендуется делать равным диаметру проволоки, чтобы обеспечить плотное и равномерное укладывание витков. Однако для улучшения эффективности насадки желательно обеспечить небольшой межвитковый зазор, который не должен превышать диаметр проволоки d.
Однако, при использовании малого диаметра проволоки d, становится технологически сложно обеспечить точность межвиткового зазора. Превышение этого зазора может привести к нежелательным эффектам, таким как спутывание, излишняя податливость слоя и ухудшение эксплуатационных свойств насадки. Это может привести к неоднозначной укладке элементов и боковому проникновению соседних элементов друг в друга.
Поэтому важно найти баланс между диаметром проволоки, шагом навивки и межвитковым зазором, чтобы достичь оптимальной эффективности насадки. Это может потребовать тщательного подбора параметров и учета конкретных условий использования насадки.
Варианты внешнего вида спн
Понимая геометрию витков, мы можем рассмотреть, как меняется внешний вид (форма) СПН в зависимости от угла φ при вершинах в витке после навивки (не в оправке!).
Для удобства восприятия формы насадки на всех изображениях диаметр проволоки (d), диаметр спирали (D) и радиусы (R) одинаковы.
Важно отметить, что представленные ниже варианты форм СПН имеют иллюстративный характер, и некоторые из них практически неосуществимы. Реальная форма СПН будет зависеть от многих факторов, включая материал проволоки, угол навивки и другие параметры.
Эксперименты показывают, что при фиксированных значениях диаметра проволоки (d), диаметра спирали (D) и радиуса (R), эффективность насадки также зависит от формы спирали, то есть от угла φ при вершинах в витке. Выбор оптимального угла φ может быть важным для достижения наилучшей производительности и эффективности насадки.
Эксперименты показывают, что при фиксированных значениях диаметра проволоки (d), диаметра спирали (D) и радиуса (R), эффективность насадки также зависит от формы спирали, то есть от угла φ при вершинах в витке. Выбор оптимального угла φ может быть важным для достижения наилучшей производительности и эффективности насадки.
