Способ проведения массо- (тепло) обменных,химических и микробиологических процессов и аппарат для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Э1Ю В 01 D11 04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITHA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

l4 ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

8 ъ(1-Е)5 — +

2 с (21) 3415916/23-26 (22) 29.03,82 (46) 23.07.84. Бюл. У 27 (72) А.Н. Филимонов и A.Ô. Махоткин (71) Казанский ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт им. С.M. Кирова (53) 66.061.5(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР по заявке Н - 3225892/23-26, кл. В 01 D 11/04, 11.06.81.

2. Шкоропад Д.Е. и Ласковцев И.В.

Центробежные жидкостные экстракторы, М., Машгиз, 1962, с. 49-51.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке Ф 3271308/23-26, кл. В 01 D 11/04, 1981. (54) СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ МАССО-(ТЕПЛО).

ОБМЕННЫХ, ХИМИЧЕСКИХ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ проведения массо-(тепло)обменных, химических и микробиологических процессов в двухфазных системах путем диспергирования одной из фаз в другой при прямоточном контактировании в поле центробежных сил, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса, увеличения производительности и регулирования времени контакта фаэ, при диспергировании тяжелой фазы ее подают На периферию центробежного поля, а при диспергировании легкой фазы ее подают в центр центробежного поля, при этом расход сплошной фазы Qс определяют из соотношения

„„SU„„1103877 А где Яд - расход дисперсной фазы, м /с; — удерживающая способность (УС) по дисперсной фазе, м /м ;

S — проходное сечение контактной зоны аппарата движению фаз, и ; — плотность сплошной фазы, г/, з. — разность плотностей фаэ, к г/мз ° кинематическая вязкость, м /с;

6 — межфазное напряжение, н/м;

d — диаметр капель (частиц), м;

w — - угловая скорость вращения ротора, 1/с;

Rp — критерий Рейнольдса; — коэффициент гидродинамического сопротивления капли (частицы);

R — расстояние от оси вращения до рассматриваемой точки контактной эоны аппарата,м.

2. Центвобежный аппарат для проведения массо-(тепло)обменных, химических и микробиологических процессов, включающий корпус, вращающийся ротор с насадкой, выполненный в виде коаксиально расположенных перфорированных цилиндров, отверстия которых снабжены соплами и диффуэорами, расположенными на соседних цилиндрах радиально, устройства ввода и вывода фаз, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью интенсификации процесса, увеличения производительности и регулирования времени контакта фаэ, сопла и диффузоры установлены на цилиндрах, размещенных на периферии ротора и направлены в сторону оси ротора.

3. Центробежный аппарат для проведения массо-(тепло)обменных, химических и микробиологических процессов, включающий корпус, вращающийся ротор с насадкой, выполненный в виде коаксиально расположенных перфорированных цилиндров, отверстия которых снабжены соплами и диффузорами, расположенными на соседних цилиндрах радиально, устройства ввода и вывода фаз, отли ч аю— шийся тем, что сопла и диффуэоры установлены на цилиндрах, размещенных в центре ротора и направлены к периферии ротора.

1

Изобретение относится к химической технологии и может найти применение в различных производствах химической,коксохимической, нефтяной, химико-фармацевтической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности для осуществления процессов массообмена (экстракция), теплообмена (нагрев, охлаждение), химических (включая гетерогенные) и биологических превращений (например, в производстве пенициллина и других антибиотиков из культурных жидкостей) в системах жидкость — жидкость, жидкость — твердое тело. I5

Известен способ и устройство для проведения массообменных процессов двухфазных систем путем диспергирования одной из фаз в другой — сплошной фазе - и контактирования их в ноле центробежных сил, когда жидкости во время их контакта движутся в роторе аппарата непрерывно и противоточно P3 ).

Устройство (центробежный экстрак- тор) для осуществления известного способа содержит кожух с расположенным в нем ротором с насадкой, контах ная эона которого выполнена в виде профилированной щели, устройство ввода и вывода фаз 513, Недостатками известного способа и соответственйого устройства для его осуществления являются низкая производительность, которая ограничена скоростью движения капель и режимом захлебывания аппарата (инверсия фаэ), низкая эффективность массообмена в сплошной фазе, обуслов. ленная тем, что при противоточном

40 движении фаэ в контактной зоне аппарата легкая фаза, как правило, ;движется в ламенарном режиме, кото2 рому соответствует в основном молекулярный (диффузный) перенос вещества ° При известном способе практически исключается возможность регулирования времени пребывания капель дисперсной фазы в аппарате, ибо соотношение между центробежной силой и силой гидродинамического сопротивления, действующей на каплю при ее движении в контактной зоне аппарата, непрерывно меняетея по радиусу аппарата.

Недостатком известного устройства (центробежного экстрактора) для осуществления известного способа является наличие "мертвых" зон в виде секторов в центральной части контактной эоны аппарата, между соплами для диспергирования тяжелой фазы, в которых исключается контакт фаз и, следовательно, снижается эффективность единицы объема контактной зоны аппарата.

Наиболее близким к предлагаемому является способ проведения массообменных процессов двухфазных систем путем диспергирования одной из фаз в другой — сплошной фазе — и контактирования их в поле центробежных сил, когда жидкости во время их контакта движутся прямоточно (контакт жидкостей осуществляется при прямоточном движении) 2 g и (3).

Недостатком известного способа и устройства (экстрактор-сепаратор) для его. осуществления является то, что контакт жидкостей и сепарирование фаэ протекает раздельно. Поэтому в каждой конструкции центробежного экстрактора непрерывного действия с прямоточным движением жидкостей при их смешивании имеются, как минимум, два устройства, одно из кото3 11038 рых обеспечивает механическое пере- мешивание жидкостей, а другое — разделение полученной смеси на исходные фазы. Смешение жидкостей осуществляется в аппаратах с мешалками, 5 эжекторах, центробежных и вихревых . насосах, либо непосредственно в турбулентном потоке. Разделение полученных жидких смесей осуществляется в сверхцентрифугах и тарельчатых 30 сепараторах. К недостаткам известного способа и устройства для его осуществления, кроме указанных выше, относится эффективность процесса массообмена и разделения фаз, невоз- 15 можность регулирования времени контакта фаз, ибо пребывание частиц в смесительных устройствах подчиняется вероятностно-стохастическим законам с определенным разбросом как по 0 времени пребывания в смесительном устройстве, так и с определенной долей вероятности проскока частиц через смесительное устройство, не вступивших во взаимодействие с другой р5 фазой. Тонкослойное разделение эмульсий в межтарельчатых пространствах сепараторов в ламинарном режиме обусловливает низкую производительность последних. 30

Известно устройство (центробежный аппарат) пля осуществления известного способад которое содержит кожух с размещенным в нем ротором с насадкой. выполненной в виде коакси35 ально расположенных перфорированных цилинцров, отверстия которых снабжены соплами и диффузорами, расположенными на соседних цилиндрах, в чередующейся последовательности, перегородки, устройство ввода и .вывода. фаз, аппарат снабжен,переточными патрубками, установленными на цилиндрах с соплами, а перегородки .выполнены выпуклой формы и установлены перед каждой парой диффузоров (2 и(3).

Недостатками известного способа в устройствах (центробежный аппарат) для его осуществления являются низкая интенсивность процесса, малая 50 производительность по легкой. фазе и невозможность регулирования времени контакта фаз. Укаэанные недостатки

1обусловлены тем, что процесс массообмена интенсивно протекает в момент 55 соударения потоков и на начальном участке диффузора, где имеет место большой градиент относительной ско77 4 рости фаз и, как реэультат, наличие больших касательных напряжений на границе раздела легкая фаза — тяжелая, обуславливающих турбулентные пульсации в движущихся в прямотоке фазах.

Но мере движения по диффузору скорости движения фаз выравниваются, mc относительная скорость движения стремится к нулю, исчезают касательные напряжения на границе раздела фаэ и, следовательно, интенсивность процесса масссообмена надает. Производительность аппарата по легкой фазе определяется коэффициентом инжекции в паре сопло-диффузор, время же пребывания фаз в контактной зоне всецело определяется балансом сил, действующих на фазы и регулированию не поддается.

Цель изобретения †. интенсификация процесса, увеличение производительности, возможность регулирования времени контактов фаз.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу проведения массо-(тенло)обменных, химических и микробиологических процессов в двухфазных системах путем диспергирования одной из фаз в другой при прямоточном контактировании в поле центробежных сил, при диспергировании тяжелой фазы ее подают на периферию центробежного поля, а при диспергировании легкой фазы ее подают в центр, центробежного поля„ при этом расход сплошной фазы Яс определяют из соотношения где (Е

9с расход дисперсной фазы,мз /с — удерживающая способность (УС) по дисперсной фазе, м /м t — нроходное сечение контактной зоны аппарата движению фаз, м

- плотность сплошной фазы,. кг/мз °

- разность плотностей фаэ, кг/м2; — кинематическая вязкость, м2 /се

- межфазное натяжение, Н/м;

- диаметр капель (частиц), м; — угловая скорость вращения ротора, 1/с:

1103877!

О (2500;

3) (3) для частиц при 1 (Re

f5 = — +

24 2,5

РЕ Яе

Qf = + —, (4) (<-б) 5

25 для прямотока

О 9 р, 4 с

Я S (1-f )5

Зиак перед скобками в выражении (5) берется с учетом направления вектора относительной скорости и вектора направления капли (частицы}.

Нижние индексы: с - сплошная фаза;

d - дисперсная фаза; i .— индекс, 35 указывающий местоположения рассматриваемой точки контактной эоны относительно оси ротора.

Цель изобретения обеспечивается также тем, что в центробежном аппара40 те для осуществления способа проведения массо-(тепло)обменных, химических и микробиологических процессов, включающем корпус, вращающийся ротор- с насадкой, выполненный в ви- . 45 де коаксиально расположенных перфорированных цилиндров, отверстия которых снабжены соплами и диффузорами, расположенными на соседних цилиндрах радиально, устройства ввода и вывода фаз, сопла и иффузоры установлены на цилиндрах, размещенных на периферии ротора и направЛены в сторону оси ротора.

Re — критерий Рейнольдса Re= †I

1,1

Ч вЂ” коэффициент гидродинамичес- кого сопротивления капли (частицы);

R ; расстояние от оси вращения до рассматриваемой точки контактной зоны аппарата,м для капель при Re > 1;

W - относительная скорость движения фаэ (скорость скольжения фаз), м/с, опре" деляемая иэ соотношения для противотока

Кроме того, в центробежном аппарате для осуществления способа сопла и диффузоры установлены на цилиндрах, размещенных в центре ротора и обращены к периферии ротора.

На фиг. 1 изображен вариант общего вида центробежного аппарата в

5 разрезе, для случая, когда сечение диффузора изменяется в горизонтальной и постоянно в вертикальной плоскости, сопла и диффуэоры установлены на цилиндрах, размещенных на периферии ротора; на фиг. 2 — разрез

А-А на фиг. 1; на фиг. 3 — вариант общего вида центробежного аппарата в разрезе для случая, когда сечение диффуэора изменяется в вертикальной. и постоянно в горизонтальной плоскости, а сопла и диффуэоры установлены на цилиндрах, размещенных на периферии ротора; на фиг. 4 — разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 — вариант общегс

20 вида центробежного аппарата в разрезе для случая, когда сечение диффузора изменяется в вертикальной и постоянно в горизонтальной плоскости, а сопла и диффузоры установлены на цилиндрах, размещенных в центре ротора; на фиг. 6 — разрез В-В на фиг. 5.

Центробежный аппарат содержит кожух 1, ротор 2, коаксиальные цилинд" ры 3 и 4, сопла 5, диффузоры 6, пакет конических тарелок 7, камеры 8 и 9 с помещенными в них напорными дисками 10 и 11, камеры 12-15, радиальные каналы 16 и 17, атрубки вво. да 18 и 19 и вывода 20 и 21 фаз.

Центробежный аппарат работает следующим образом.

Сплошная фаза н дисперсная фаза по патрубкам подвода 18 и 19 и каналам, 16 и 17 поступают в камеры

15 и 14 соответственно. Далее сплошная фаза за счет центробежного давления и давления в линии подачи сплошной фазы в аппарат через сопла 5 выбрасывается в контактную зону аппарата — диффузоры 6, инжектируя дис.персную фазу. Образовавшаяся эмуль.сия, пройдя зону контакта при движении с периферии к центру аппарата, через отверстия 22 поступает .на разделение в пакет конических тарелок

7, в межтарельчатых пространствах .. которых под действием центробежных и архимедовых сил вытеснения фазы сепарируются. Отсепарированная легкая фаза собирается в камере 12 и через отверстия перетекает в камеру 8, отку да с помощью напорного диска 10 по патрубку 20 выводится из аппарата.

1103877

Отсепарированная тяжелая фаза собирается в камере 13> откуда перетекает в камеру 9 и с помощью напорного диска 11 по патрубку 21 выводится из аппарата.

Отличительная особенность работы аппаратов, изображенных на фиг. и 3 от изображенного на фиг. 5, состоит в направлении движения эмульсии в контактной зоне аппарата, соответственно с периферии к центру и наоборот, в соответствии с балансом сил: силы гидродинамического сопротивления и центробежной силой (для первого случая) и аналогом архимедовой силы вытеснения в центробежном поле — во втором.

Преимущества способа и центробежного аппарата для его.осуществления иллюстрируются следующими положениями.

Увеличение производительности.

В основу предлагаемого способа и центробежного аппарата.для его осуществления положен принцип прямоточного движения фаз: с периферии к ценцентру ротора — при диспергировании тяжелой фазы н от центра к периферии. ротора — при диспергировании легкой фазы, т.е. в обоих случаях движение противоестественно для центробежного поля и оно возможно лишь только тогда, когда сила гидродинамического сопротивления (скоростной напор)

cBJloIBHoH среды превышает величину центробежной силы, действующей.на капли {частицы) в первом случае, и . архимедову силу вытеснения — во втором. На создание требуемого скоростного напора для преодоления вышеуказанных сил требуется значительный расход сплошной фазы (как правило, на порядок превышающий расход сплошной фазы в аналогичных условиях для противоточных аппаратов) и, следовательно, увеличение производительности. Если для противоточных аппаратов существует верхний предел по нагруз:кам — режим захлебывания аппарата, сопровождаемый инверсией фаз, то при предлагаемом способе диапазон работы центробежного аппарата прос-. тирается от состояния псевдоожижения, когда неравенство (1) преобразуется в равенство, до бесконечности (по практическим соображениям до состояния, когда W О, ибо в этом случае резко падает.интенсивность процесса массообмена, химичес- ких и микробиологических процессов).

Инте нсификация процесса.

Значительный расход сплошной фазы

5 обусловливает существование развитого турбулентного режима движения сплошной среды. Если в аппаратах с противоточным движением фаз сплошная фаза движется, как правило, в ламинарном режиме движения, которому свойственен молекулярный (диффузионный) перенос вещества в фазах, и, следовательно, низкая интенсивность процесса массообмена, то при

15 предлагаемом способе сплошная фаза движется при развитом турбулентном режиме, сопровождаемом интенсивным конвентивным переносом, следовательно, значительно интенсифицируется про"

20 цесс массопереноса в фазах. Интенсивный турбулентный режим движения сплошной фазы способствует интенсивности циркуляции жидкости внутри капель дисперсной фазы, деформации и дроблению последних, т.е. обновлению поверхности и интенсификации процесса массообмена, химических и микробиологических процессов.

Возможность регулирования времени

З0 контакта фаз.

Регулирование времени контакта фаз при известных способах проведения процессов массо-(тепло)обмена либо затруднено (противоточное движение фаз в аппаратах центробежного типа) ° либо слишком проблематично, условно (в перемешивающих устройствах, например, в аппаратах с мешалкой), обусловлено вероятностно-стохастической природой явления.

При Предлагаемом способе представляется воэможность регулирования времени контакта фаз.

Время пребывания капель (частиц) в контактной зоне аппарата всецело определяется длиной зоны контакта и скоростью их движения, .последняя определяется из баланса сил: силы гидродинамического сопротивления

50 (скоростного напора сплошной среды) и центробежной силы, либо архимедовой силы вытеснения, т.е. время пребывания капель (частиц) в контактной зоне аппарата — время контакта фаз — всецело определяется расходом сплошной фазы. Следовательно, существует однозначная зависимость времени контакта фаз от расхода сплошной среды. Изме10

1103877 9 теснения) по радиусу аппарата, действующей на капли, изменением величины силы гидродинамического сопротивления сплошной среды (скоростного напора сплошной среды) по радиусу аппарата за счет изменения проходного сечения зоны контакта таким образом, чтобы режим движения капель (частиц), а следовательно,. и их скорость оставались неизменными, Во сколько .раз изменяется величина центробежной силы (либо аналога архимецовой силы вытеснения в центробежном поле) по радиусу аппарата, действующей на капли (частицы), во столько раз должна изменяться по радиусу аппарата величина. силы гидродинамического сопротивления сплошной среды цвнжению капли, последняя же определяется проходным сечением зоны конняя расход сплошной фазы, можно получить широкий диапазон времени конгтакта фаз (практически от бесконеЧности, когда неравенство (1) переходит в равенство и наступает режим псевдоожижения, до состояния> когда

t 0, то в этом случае М 0 и фазы мгновенно покидают зону контакта).

Реальный режим работы аппарата должен определяться при решении компро- 1О миссной минимаксной задачи: такта.

Проверка предлагаемого способа и аппарата для его осуществления проводилась на лабораторной модели аппарата диаметром 400 мм с длиной зоны контакта по радиусу 110 мм при проведении процесса экстракции на системе керосин-фенол-вода (извлечение фенола из керосина водой) при числе оборотов ротора 1500 об/мин, и объемном соотношении фаз Й„/6 =3/11/3.

Исследования показали, что интенсивность процесса возросла на 40-бОЖ при расходах фаз, на порядок превышающих расходы при аналогичных режимах при противоточном движении фаз.

Предельную производительность аппарата нри предлагаемом способе выявить не удалось из-эа ограниченных возможностей экспериментальной установки. Визуальные наблюдения в страбосконическом освещении sa движением фаз в контактной зоне аппарата (модель аппарата изготовлена из оргстекла) показали, что скорость движения капель в контактной зоне аппарата, а следовательно, и время пребывания . их в зоне контакта находятся в прямой зависимости от расхода сплошной фазы.

Возможность регулирования режима движения фаз в аппаратах и время контакта фаэ открывает широкую перспективу для интенсификации технологичесции процессов при проведении последних согласно предлагаемого способа и аппарата для его осуществления.

Предлагаемый способ для проведения массо-(тепло)обменных процессов и

К шах; е — ш1п, 15 где К вЂ” коэффициент массопереноса;

1 - суммарная производительность аппарата по фазам;

Ф вЂ” время контакта фаз.

Центробежный аппарат для осуществ- 2б ления способа, в котором сопла и диффуэоры установлены на цилиндрах, размещенных на периферии ротора (в центре ротора) радиально и обращены в направлении осй ротора (к периферии ротора), позволяет интенсифицировать процесс, увеличить производи" тельность и создает возможность регулирования времени контакта фаз.

Интенсификация процесса массо;

-(тепло)обмена химических и микробиологических процессов в предлагаемом аппарате достигается не только на начальном участке зоны контакта, обусловленном эффектом инжекции, но

35 и на всем пути прохождения капель ,(частиц) в контактной зоне аппарата, при конвективном массообмене, вызванном высокоразвитым турбулентным режимом движения сплошной фазы.

Высокая производительность аппара та обусловлена предлагаемым способом, самой природой прямоточного движения фаэ, существование которог< возможно лишь только в случае превы" . 45 щения гидродинамической силы сопротивления (скоростного напора сплошной фазы) над центробежной силой, (либо аналогом архимедовой силы вы- теснения в центробежном поле), дейст вующей на капли (частицы) в центро"

50 бежном поле. г

Выполнение зоны контакта в форме диффузоров исключает возможность ., ких процессов и полной автоматизаобразования "мертвых" зон s контакт- ной зоне аппарата, в которых нсклю55 чается контакт фаз, позволяет сбалансировать изменение центробежной силы (либо аналога архимедовой силы вы1103877!

Ill юг.2 аппарат для его осуществления, по сравнению с известными, применяемыми в промышленности способами .с прямо- точным и противоточным движением контактируемых фаз и аппаратами для 5 их осуществления (трубчатые центрифуги СГТ-100, СГС-150, экстрактор с волнообразной насадкой), принятыми за базовый образец, позволяет интенсифицировать процесс массообмена на 40-602, увеличить производительность аппарата на порядок и создает возможность регулирования времени контакта фаз.

1103877

1103877

12

1 илвиноя фаМ

ВНИИПИ Заказ 7903 тиРаж 682 Подш йое ППП мПатеат", г.ужгород, ул.Проектик, 4