CN1733357A - 物质移动塔内的放射形喷射管的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设置在例如纯净水制造设备、腹水脱盐设备、污/废水处理设备、化学反应设施等内，执行过滤、吸附、离子交换、离子交换树脂再生、化学反应过程以及化学洗净液的喷射过程等的物质移动塔或物质移动槽，更详细地说，本发明用于提供在前述过程中以流量均等分配为目的而设置，为了提高过滤、吸附、离子交换等的物质移动过程以及化学反应和化学洗净过程等的效率，可使流入流量全断面均等分配的物质移动塔内的放射形喷射管的设计方法。

Description

物质移动塔内的放射形喷射管的设计方法

技术领域

本发明涉及设置在例如纯净水制造设备、腹水脱盐设备、污/废水处理设备、化学反应设施等内，执行过滤、吸附、离子交换、离子交换树脂再生、化学反应过程以及化学洗净液的喷射过程等的物质移动塔或物质移动槽，更详细地说，涉及在前述过程中以流量均等分配为目的而设置，为了提高过滤、吸附、离子交换等的物质移动过程以及化学反应和化学洗净过程等的效率，可使流入流量全断面均等分配的物质移动塔内的放射形喷射管的设计方法，还能应用于把洗净药品或洗涤液等投入到圆板型器械的上/下部的单一管或多管的喷射喷嘴等。

背景技术

众所周知，在纯净水制造设备、腹水脱盐设备、污/废水处理设备、化学反应设施等内，为了供过滤、反应、洗涤或洗净过程用，设置有过滤塔(又称“过滤槽”)、吸附反应槽、化学反应塔、离子交换树脂塔、离子交换树脂再生塔、以及化学洗净和洗涤塔，投入给它们的流量在通过滤材层时进行过滤、吸附、离子交换或化学反应等，满足质量基准的流体被排出。

通常，在以水处理设备为首的化学、环境设备等的填充了各种滤材的物质移动过程内，该物质移动塔(又称“物质移动容器”)可划分为大致3种，即：如图1所示，具有横列式或放射形喷射管1和滤材层2并主要应用于离子交换树脂塔的球形物质移动塔[参照图1A]，具有多种喷射管1和滤材层2并主要应用于离子交换树脂塔、再生塔或活性碳塔等的垂直形物质移动塔[参照图1B]，以及具有横列式或格栅形喷射管1和滤材层2并应用于分子筛(sieve)等的水平形物质移动塔[参照图1C]。

并且，在前述各个物质移动塔内，如图1A、图1B和图1C所示，设置有用于把流量均等分配给滤材层2的流量喷射管1，该流量喷射管1，如图2A、图2B和图2C所示，可划分为放射形喷射管[参照图2A]、横(纵)列式喷射管[参照图2B]以及格栅形喷射管[参照图2C]，在这些喷射管1内按照均等间隔形成有多个喷射孔3[参照图5A的以往结构]。

这里，事先明确的是，本发明用于提供形成在放射形喷射管内的喷射孔的设计方法。

在设置于以往的球形物质移动塔内，用于把流量均等分配给滤材层的流量喷射管中，放射形喷射管，如图5A的以往结构那样，以该放射形喷射管1的毂4为中心按照等间隔均等重复形成有喷射孔3。

具有这种均等间隔的喷射孔3的以往的放射形喷射管1具有的问题是，在滤材层2上部断面，如图6A所示，不能使喷射到该滤材层2的流量5在塔内的全断面进行均等流量分配，即，由于通过喷射孔3喷射的流量的线速度的差和通水流速的差而使喷射到滤材层2上部的流量5发生流动现象，并使流速快且流量集中的部位的滤材层2达到过饱和，从而提早到达终点等，使滤材层2的利用率下降。

发明内容

因此，本发明是为了解决前述以往问题而提出的，本发明的目的是提供物质移动塔内的放射形喷射管的设计方法，该设计方法通过使从以水处理设备为首的各种化学、环境设备中的填充了滤材层的物质移动塔内所设置的流量喷射管喷射的流量均等分配，提供与滤材塔的筒流体均等的线速度，实现滤材层的利用率提高。

用于达到前述目的的本发明是使用以下设计方法提出的，该设计方法对设置在具有滤材层的物质移动塔内并把流量喷射到滤材层的流量喷射管的喷射孔进行设计，为了维持与滤材塔的筒流体均等的线速度，使喷射孔分割形成在前述喷射管内，以便实现喷射流量的均等分配。

附图说明

图1A、图1B和图1C是概略表示应用根据本发明的放射形喷射管的多种物质移动塔的纵断面图。

图2A、图2B和图2C是表示设置在一般物质移动塔内的喷射管的种类的平面图。

图3是为了对本发明进行说明，作为一例表示垂直形物质移动塔的纵断面图。

图4A、图4B和图4C是表示用于对根据本发明的放射形喷射管的设计进行说明的垂直形物质移动塔的断面分割的图，特别是，图4C是放大断面分割图。

图5A和图5B是用于显示以往和本发明的放射形喷射管内所形成的喷射孔的配置图。

图6A和图6B是概略表示把以往和本发明的喷射管相比，显示出喷射流量的线(或空间)速度差的物质移动塔内部的纵断面图。

具体实施方式

以下，参照本发明的附图进行详细说明。

图1A、图1B和图1C是表示多种物质移动塔的图，图3是对其中一例具有应用本发明且使用最多的放射形喷射管1的垂直形物质移动塔进行图示的图。

并且，在对本发明详细说明之前，本发明是对设置在垂直形或球形物质移动塔内的放射形喷射管的喷射孔进行设计的方法，与以往结构相同的部分使用相同的参照符号。

图4A是根据本发明的物质移动塔10的概略图，图4B和图4C表示用于对在根据本发明的放射形喷射管1的喷射分割面1a的流量喷射孔3的设计进行说明的断面分割图。

首先，提供给前述物质移动塔10的流量Q的线速度U使用下述式[1]来求出。

$\left[1\right]---U=\frac{Q(m^3/s)}{A_T\left(m^2\right)}$

在前述式中，A_T表示物质移动塔的全断面积。

并且，图2A的放射形喷射管1，如图3所示，在物质移动塔10内通常设置有6个或8个，然而在本发明中，考虑便于公式推导，假定在物质移动塔内的直径部分设置1个喷射管。

用于流量均等分配的喷射管分割和喷射孔的位置计算

1)喷射管分割

前述喷射分割面1a的毂4侧的流量与该放射形喷射管1的第1个喷射孔3的流量应相同。即，由于流量Q的线速度U必须恒定，因而参照图4B和图4C，D₁侧的断面积A₁与其外侧的圆环型的A₂必须相同(A₁＝A₂)。

因此，

$\left[2\right]---A_1=\frac{\mathrm{\π}{D}_1^2}{4}$

在前述式[2]中，A₁是毂的断面积，D₁表示毂的直径。

$\left[3\right]---A_2=\frac{\mathrm{\π}{D}_2^2}{4}-A_1$

由于A₁＝A₂，因而

$\left[4\right]---A_1=\frac{\mathrm{\π}{D}_2^2}{4}-A_1$

$2A_1=\frac{\mathrm{\π}{D}_2^2}{4}$

这里，当代入式[2]时，

$\left[5\right]---2\·\frac{\mathrm{\π}{D}_1^2}{4}=\frac{\mathrm{\π}{D}_2^2}{4}$

$\left[6\right]{---2D}_1^2=D_2^2$

∴ $D_2=\sqrt{2}{D}_1$

另一方面，当参照图4C证明前述式[6]时，由于

[7]D₂＝D₁+2x₂

因而，当把式[7]代入式[5]时，

$\left[8\right]---2D_1^2={(D_1+{2x}_2)}^2$

$D_1+{2x}_2=\sqrt{2}{D}_1$

${2x}_2=(\sqrt{2}-1)D_1$

$x_2=\frac{(\sqrt{2}-1)}{2}{D}_1$

当把式[8]代入式[7]时，

$\left[6\right]---D_2=D_1+(\sqrt{2}-1)D_1$

∴ $D_2=\sqrt{2}{D}_1$

得知 $D_2=\sqrt{2}{D}_1.$

而且，由于A₁＝A₂＝A₃，因而

$\left[9\right]---A_3=\frac{\mathrm{\π}{D}_3^2}{4}-A_2-A_1$

$\frac{\mathrm{\π}{D}_3^2}{4}=3\frac{\mathrm{\π}{D}_1^2}{4}$

∴ $\left[10\right]---D_3=\sqrt{3}{D}_1$

而且，为了参照图4C证明前述式[10]，

当再次解式[9]时，如下所述。

由于A₁＝A₂＝A₃，因而当把A₂代入A₃时，

$\frac{\mathrm{\π}{D}_3^2}{4}={2A}_2+A_1$

即，

$\left[11\right]---D_3^2=2(D_2^2-D_1^2)+D_1^2$

$D_3^2=2D_2^2-D_1^2$

当参见图时，由于D₃＝D₂+2x₃[12]，因而

当把式[12]代入式[11]时，

$\left[13\right]---{(D_2+{2x}_3)}^2={2D}_2^2-D_1^2$

$D_2+{2x}_3=\sqrt{{2D}_2^2-D_1^2}$

$x_3=\frac{\sqrt{{2D}_2^2-D_1^2}-D_2}{2}$

$=\frac{\sqrt{2{\left(\sqrt{2}{D}_1\right)}^2-D_1^2}-\sqrt{2}{D}_1}{2}$

$=\frac{\sqrt{2\left({2D}_1^2\right)-D_1^2}-\sqrt{2}{D}_1}{2}$

$=\frac{\sqrt{{3D}_1^2}-\sqrt{2}{D}_1}{2}$

$=\frac{\sqrt{3}{D}_1-\sqrt{2}{D}_1}{2}$

$=\frac{(\sqrt{3}-\sqrt{2})D_1}{2}$

当把式[13]和式[6]代入式[12]时，

[10]D₃＝D₂+2x₃

$D_3=\sqrt{2}{D}_1+(\sqrt{3}-\sqrt{2})D_1$

∴ $D_3=\sqrt{3}{D}_1$

这里，当总计D₁、D₂、D₃时，得出下式。

∴ $\left[14\right]---D_n=\sqrt{n}{D}_1$

∴ $\left[15\right]---n={\left(\frac{D_n}{D_1}\right)}^2$

在前述式中，n是塔的直径基准喷射分割面1a的数，即包含毂的喷射管1的喷射孔3的列数，D₁表示毂的直径，D_n表示物质移动塔的直径。

结果，当毂4的直径D₁和物质移动塔10的直径D_n给定时，使用式[15]求出喷射分割面数1a的数n，把该数n代入[14]，求出各喷射分割面1a的直径。

然而，由于实际的喷射管1以毂4为中心设置成放射形，因而假定在物质移动塔10的直径D_n上设置仅1个喷射管1而算出的式[15]被整理成下式[16]。

位于前述物质移动塔10的半径上的1个放射形喷射管1的喷射分割面1a的数L_n如下。

∴ $\left[16\right]---L_n=\frac{n}{2}=\frac{1}{2}{\left(\frac{D_n}{D_1}\right)}^2$

另一方面，在毂4的直径D₁过于小的情况下，喷射分割面1a的数L_n过于多，产生难以制造喷射管1的问题，然而此时，最好设定比前述毂4的直径稍大的假想直径D₁。

2)喷射孔的位置计算

使用式[8]和式[13]把作为喷射分割面的边界的圆的直径D_n-1和D_n之间的喷射分割面的范围x_n整理如下。

$\left[17\right]---x_n=\frac{(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})}{2}{D}_1$

并且，在以毂4为中心的各喷射管1的喷射分割面1a的喷射孔3的位置应为各地点的中心部分，由于配置成放射形的实际的喷射管1位于物质移动塔10的半径上，因而各喷射管1的喷射孔3的位置计算式如下。

$\left[18\right]---H1=\frac{x_1}{2}=\frac{(\sqrt{1}-0)}{4}{D}_1=\frac{D_1}{4}=\frac{r_1}{2},$

$H2=\frac{x_2}{2}=\frac{(\sqrt{2}-1)}{4}{D}_1=\frac{(\sqrt{2}-1)r_1}{2},$

$H3=\frac{x_3}{2}=\frac{\sqrt{3}-\sqrt{2}}{4}{D}_1=\frac{\sqrt{3}-\sqrt{2})r_1}{2},$

∴ $\mathrm{Hn}=\frac{x_n}{2}=\frac{(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})}{4}{D}_1=\frac{\sqrt{n}-\sqrt{n-1})r_1}{2}$

在前述式中，H_n表示在喷射分割面n的喷射孔的位置，D₁＝2·r₁，r₁表示毂的半径。

另一方面，以原点为基准的喷射孔的位置如下。

$[18-1]---{\mathrm{LH}}_1=\frac{D_0}{2}+\frac{x_1}{2}=\frac{{2r}_0}{2}+\frac{(\sqrt{1}-0)}{4}{D}_1=r_0+\frac{D_1}{4}=r_0+\frac{r_1}{2,}$

${\mathrm{LH}}_2=\frac{D_1}{2}+\frac{x_2}{2}=\frac{{2r}_1}{2}+\frac{(\sqrt{2}-1)}{4}{D}_1=r_1+\frac{(\sqrt{2}-1)r_1}{2},$

${\mathrm{LH}}_3=\frac{D_2}{2}+\frac{x_3}{2}=\frac{{2r}_2}{2}+\frac{(\sqrt{3}-\sqrt{2})}{4}{D}_1=r_2+\frac{(\sqrt{3}-\sqrt{2})r_1}{2},$

∴ $\mathrm{LHn}=\frac{D_{n-1}}{2}+\frac{x_n}{2}=\frac{{2r}_{n-1}}{2}+\frac{(\sqrt{n}-\sqrt{n-1}}{4}{D}_1=r_{n-1}+\frac{(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})r_1}{2}$

在前述式中，LH_n是从原点到喷射分割面n的喷射孔的距离，原点＝D₀＝r₀＝0，D₁＝2·r₁，r₁表示毂的半径。

喷射孔数和直径的计算

1)总喷射孔数的计算

当算出要设置的喷射管数和各喷射管的喷射分割面的喷射孔数时，计算包含毂的整体喷射管的总喷射管数。

∴ $\left[19\right]---N_{T_H}=N_H\×N_L$

在前述式中，N_TH表示总喷射孔数，N_H表示各喷射管的喷射孔数(＝n)，N_L表示喷射管数。

2)喷射孔直径的计算

当算出总喷射孔数N_TH时，根据要流入的流量Q得出各喷射孔的喷射流量q_H。

[20]    Q＝N_TH×q_H

在前述式中，q_H是喷射孔的喷射流量。

∴ $\left[21\right]---q_H=\frac{Q}{N_{\mathrm{TH}}}$

这里，由于q_H＝A_H×u，因而

在前述式中，A_H是喷射孔的断面积，u是线速度。

$\left[22\right]---A_H=\frac{q_H}{u}$

并且，由于 $A_H=\frac{\mathrm{\π}\×D_H^2}{4},$ 因而

喷射孔的直径D_H为

$\left[23\right]---D_H=\sqrt{\frac{q_H}{u}\×\frac{4}{\mathrm{\π}}}$

设计式的应用前/后的喷射分割断面积的比较

下面是把根据本发明的设计式的应用前后的喷射孔的喷射分割断面积作了比较后的表。

表1

这里，参照表1把设计式应用前后的喷射分割断面积的差异表示如下。

喷射分割断面积的差异＝以往的喷射孔分割断面积-本发明的喷射孔分割断面积

$\mathrm{\Δ}{A}_n=\frac{(2n-1)\mathrm{\π}{D}_1^2}{4}-\frac{\mathrm{\π}{D}_1^2}{4}$

$\mathrm{\Δ}{A}_n=\frac{(2n-2)\mathrm{\π}{D}_1^2}{4}$

即，对于第n个喷射孔的喷射面积，以往结构比本发明大2n—2倍左右。

这是与本发明相比，使以往结构的喷射流量以

倍的比率进行喷射的形式，从而知道 程度的滤材没有得到利用。

另一方面，如图5B所示，在本发明的喷射管1内应用/形成的喷射孔3设置成越是从毂4的中心侧去往外侧，其间隔越是逐渐缩减，然而如图5A所示，以往的喷射管1的喷射孔3按照均等间隔配置形成。

并且，如对设置有本发明和以往的放射形喷射管的物质移动塔作了图示的图6B所示，本发明显示出由于从放射形喷射管1的喷射孔3以均等线速度喷射的喷射流量而使滤材层2稳定的形式，然而如图6A所示，以往表现出由于从喷射管1的喷射孔3喷射的流量的线速度的差而使滤材层2的上部流动的现象。

如前所述，根据本发明的物质移动塔内的放射形喷射管的设计方法应用于设置在纯净水制造设备、腹水脱盐设备、污/废水处理设备、化学反应设备等内，执行过滤过程、吸附过程、离子交换过程、离子交换树脂再生过程、化学反应过程等的放射形喷射管，具有以下的有形/无形的优点。

有形的效果

1)物质移动效率上升

通过过滤、吸附、离子交换等的物质移动过程、以及化学反应基、化学洗净液的均等分配，根据回收率等预想10～30％的效率上升。

2)再生效率上升

通过实现了再生药品注入喷射管的喷射面改善的均等喷射，期待再生率的增加，即再生效率的上升。

3)通过物质移动效率上升，节省再生能量

在通液和再生时，由物质移动效率上升所带来的滤材利用率的增加产生的效果是，再生周期延长，即缩减再生次数，节省再生费用。

无形的效果

1)运转质量提高

通过物质移动塔内的流量均等分配，可实现最佳物质移动，实现出口流出的纯度提高等的运转质量提高。

2)设备寿命延长

通过使设备随着各单位器械的运转时间延长，即再生周期延长而受到的机械和化学应力减轻，使设备寿命延长。

Claims (2)

1.一种物质移动塔内的放射形喷射管的设计方法，在放射形流量喷射管的喷射面配置设计喷射孔，该放射形流量喷射管设置在水处理设备、化学、环境设备中的填充各种滤材层的物质移动塔内，为了分配流入流量而与毂(hub)连通；其特征在于，

位于前述塔的半径部分的一个放射形喷射管1的喷射分割面1a的数L_n满足下述式[16]，在前述喷射分割面1a以单列或多列方式配置的多个喷射孔3以毂4为基准，越是去往外侧，其间隔越是逐渐变窄，而前述喷射孔3的位置H_n使用下述式[18]来决定，前述喷射孔3的总设置个数N_TH和其直径D_H使用下述式[19]和式[23]来分别决定。

$\left[16\right]---L_n=\frac{n}{2}=\frac{1}{2}{\left(\frac{D_n}{D_1}\right)}^2$

(式中，n表示塔的直径基准喷射分割面数，即包含毂的喷射管的喷射孔的列数，D₁表示毂4的直径，D_n表示物质移动塔的直径)

$\left[18\right]---H_n=\frac{x_n}{2}=\frac{(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})}{4}{D}_1=\frac{(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})r_1}{2}$

(式中，x_n表示作为喷射分割面的边界的圆的直径D_n-1和D_n之间的喷射分割面的范围，n表示塔的直径基准分割面数，D₁表示毂4的直径，r₁表示毂4的半径)

[19]N_TH＝N_H×N_L

(式中，N_H表示各喷射管的喷射孔数，N_L表示喷射管数)

$\left[23\right]---D_H=\sqrt{\frac{q_H}{u}\×\frac{4}{\mathrm{\π}}}$

(式中，q_H表示各喷射孔3的喷射流量，u表示喷射流量的线速度)

2.根据权利要求1所述的物质移动塔内的放射形喷射管的设计方法，其特征在于，前述喷射孔3的位置中的以原点为基点的喷射孔的位置使用下式[18-1]来决定。

[18-1]∴ ${\mathrm{LH}}_n=\frac{D_{n-1}}{2}+\frac{x_n}{2}=\frac{{2r}_{n-1}}{2}+\frac{(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})}{4}{D}_1=r_{n-1}+\frac{(\sqrt{n}-\sqrt{n-1})r_1}{2}$

在前述式中，LH_n是从原点到喷射分割面n的喷射孔的距离，原点＝D₀＝r₀＝0，D₁＝2·r₁，r₁表示毂的半径。

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