Пульсационный реактор

 

-Изобретение относится к устройствам для интенсификации массои теплообменных процессах. Реактор позволяет улучшить качество продукта за счет интенсификации теплои массообменных процессов, протекающих в жидких средах при вибровоздействии . Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус и размещенную внутри него пульсационную камеру, подключенную к внешнему пульсатору и выполненную в виде цилиндрического стакана с открытым нижним торцом. В нижней части реактора между его днищем и торцом стакана помещен упругий газонаполненный элемент , установленный с возможностью свободных объемных пульсаций, а в верхней (газовой) части корпуса установлен датчик величины гидродинамического давления , подключенный к системе контроля. Процесс ведут в резонансном режиме колебаний системы жидкость - газ, обеспечивающем высокое значение гидродинамического давления внутри реактора, величина которого фиксируется по показаниям датчика с помощью системы контроля. 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s В 01 J 10/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. 2 (21) 4799191/26 (22) 05.03.90 (46) 15.05,92. Бюл. М 18 (71) Головное конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Энергия" (72) А. Н. Ковальчук, В. Д. Лакиза, В, И. Осипов, M. Н. Сыровец и А. Г. Чернов (53) 66.061.5(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1161175, кл. В 01 J 10/00, 1983. (54} ПУЛЬСАЦИОННЫЙ РЕАКТОР (57) Изобретение относится к устройствам для интенсификации массо- и теплообменных процессах. Реактор позволяет улучшить качество продукта за счет интенсификации тепло- и массообменных процессов, протекающих в жидких средах при вибровоздействии. Реактор содержит вертикальный

Изобретение относится к устройствам для интенсификации массо- и теплообменных процессов, протекающих в жидких средах, особенно в вязких жидкостях, быстрорасслаивающихся пульпах и эмульсиях, и может быть использовано в химической, пищевой, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким к предложенному по достигаемому эффекту является пульсационный реактор. содержащий вертикальный цилиндрический корпус и расположенные внутри него пульсационную камеру и =оединенную с ней распределительную камеру, пульсопровод и технологические патрубки.

Распределительная камера выполнена в виде стакана с клапанным лепестковым устройством и центральным отверстием в. Ж 1733071 А1 цилиндрический корпус и размещенную внутри него пульсационную камеру, подключенную к внешнему пульсатору и выполненную в виде цилиндрического стакана с открытым нижним торцом. В нижней части реактора между его днищем и торцом стакана помещен упругий газонаполненный элемент, установленный .с возможностью свободных объемных пульсаций, а в верхней (газовой) части корпуса установлен датчик величины гидродинамического давления, подключенный к системе контроля.

Процесс ведут в резонансном режиме колебаний системы жидкость — газ, обеспечивающем высокое значение гидродинамического давления внутри реактора, величина которого фиксируется по показаниям датчика с помощью системы контроля, 2 ил, днище, над которым размещена пульсаци- . ей онная камера с закрепленным в нижней части упругим сильфонным элементом, CA) торцовая поверхность которого имеет фыр- () му конуса с осевым отверстием, при этом клапанное лепестковое устройство расположено в верхней части реактора с перекрытием кольцевой зоны, а в нижней части корпуса установлено кольцо с отбортовкой вниз. wmk

При работе известного устройства корпус заполняется реаген том до оп ределен ного уровня, и с помощью пульсатора возбуждаются возвратно-поступательные колебания реакционной массы в пульсационной камере. При этом сильфонный weмент в нижней части пульсацион ной камере при повышении в ней давления растягиеа1733071

10

35

50 ется и перекрывает кольцевой зазор между торцом сильфона и днищем распределительной камеры, а реакционная масса из пульсационной камеры истекает в кольцевое пространство между корпусом и распределительной камерой и далее через клапанное лепестковое устройство — в верхнюю часть реактора, При последующем сбросе давления иэ пульсационной камеры упругий сильфонный элемент занимает исходное положение, открывая нижний кольцевой зазор, а клапанное лепестковое устройство под действием гидростатического давления реакционной смеси закрывается, и реакционная смесь из центральной части реактора через кольцевой зазор и отверстие в торце сильфонного элемента самотеком поступает в пульсационную камеру, В данном реакторе создание пульсационного движения реакционной смеси связано с прокачиванием ее по замкнутому циркуляционному тракту, обладающему большим гидравлическим сопротивлением, при этом также используется гидростатическое давление столба жидкости. Это ограничивает рабочую частоту пульсаций реактора до величины не более нескольких герц, поскольку при повышении частоты снижается интенсивность циркуляционного движения реакционной смеси вследствие резкого повышения сопротивления циркуляционного тракта и увеличения влияния инерционно-. сти жидкости. Кроме того, повышение частоты пульсаций приведет к выбросу воздуха из кольцевой полости в нижней части реактора.

Низкая частота пульсаций реактора и большое гидросопротивление его циркуляционного тракта не позволяют интенсифицировать процесс массообмена между компонентами реакционной смеси, что необходимо для повышения качества конечного продукта. Большое гидросопротивление реактора обуславливается также повышенные энергозатраты при его работе.

Кроме того, наличие внутри корпуса распределительной камеры с кольцевым клапанным лепестковым устройством и цен,тральным отверстием в днище, а также сильфонного элемента в нижней части пульсационной камеры, торцовая часть которого периодически взаимодействует с днищем распределительной камеры, усложняет конструкцию известного устройства и снижает надежность его работы.

Цель изобретения — интенсификация процесса эа счет создания свободных объемных пульсаций и упрощение конструкции пульсационного реактора, Поставленная цель достигается за счет того, что пульсационный реактор. содержащий вертикальный цилиндрический корпус, расположенную внутри него пульсационную камеру с пульсопроводом и технологические патрубк и, снабжен упругим газонаполненным элементом, расположенным между торцом пульсационной камеры и днищем корпуса, при этом газонаполненный элемент выполнен в виде тора, установленного по центру корпуса с возможностью свободных объемных пульсаций, На фиг. 1 приведен реактор, общий вид; на фиг, 2 — разрез А-А на фиг. 1.

Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с патрубками 2 и 3 ввода реагентов и па. рубков 4 отвода продуктов реакции. Внутри корпуса 1 размещена пульсационная камера 5, выполненная в виде. цилиндрического стакана с открытым нижним торцом, верхняя часть которой с помощью пульсопровода 6 присоединена к пульсатору, Между торцом пульсационной камеры 5 и днищем 7 корпуса реактора размещен упругий газонаполненный элемент 8, выполненный в виде заполненной газом герметичной торообразной оболочки из эластичного упругого материала, например, резиновой пленки. Торообразный элемент 8 установлен с зазором между верхними 9 и нижними 10 радиальными ребрами, эакрепленными на вертикальных стойках 11, проходящих с зазором через центральное отверстие торообразного элемента 8. Это позволяет газонаполненному торообразному элементу свободно расширять или сжиматься при изменении давления окружающей его среды. Вертикальные стойки 11 закреплены на днище 7 корпуса реактора, В верхней части корпуса 1, в его газовой полости, установлен датчик 12 величины гидродинамического давления, подключенный к. системе контроля 13, Работает реактор следующим образом, Через патрубки 2 и 3 реактор заполняется реагентами до уровня, составляющего

0,8-0,9 высоты корпуса 1 (в зависимости от плотности реакционной массы). Затем включается пульсатор, возбуждающий через пульсопровод 6 пульсации давления жидкости в пульсационной камере 5, которые через открытый Нижний торец едЪередаются жидкости внутри цилиндрического корпуса 1 реактора. Эти пульсации давления жидкости через эластичную оболочку торообразного элемента 8 передается заключенному в ней газу, возбуждая его обьемные пульсации, которые, в свою очередь, передаются жидкости. Динамическое взаимодействие жидкости (реакционной смеси) 1733071 и находящегося в ней газа приводит к образованию внутри корпуса 1 нелинейной колебательной системы жидкость — гаэ, в

Кроме того, резкое увеличение амплитуды волн динамического давления в жидкости при резонансе приводит к тому, что в отрицательные полупериоды пульсаций давления разрежение в жидкости подает ниже значения упругости ее паров. Это вызывает образование в объеме жидкости большого количества кавитационных пу- . зырьков, которые, схлопываясь, дополнительно турбулизируют реакционную смесь, обеспечивая перемешивание компонентов на молекулярном уровне. инерционного элемента системы. Собственная частота колебаний этой системы 1, зависит от количества газа в жидкости, глубины его размещения, физических свойств

10 жидкости, и обычно находится в пределах

25-60 Гц.

Подстройкой частоты пульсатора устанавливают частоту внешнего вибровоздействия, равной собственной частоте f,, и внутри корпуса реактора возбуждаются резонансные колебания системы жидкость— газ, При этом резко увеличивается турбулизация жидкости, динамическое давление в которой возрастает в 4-5 раз, и увеличи 1 аким образом, в режиме. резонанса в реакторе устанавливается режим интенсивных высокочастотных турбулентных пульсаций реакционной смеси, находящейся в состоянии гидрозоля, при наличии кавитационных процессов, что обеспечивает высокую интенсивность массообмена между реагентами по всему объему реактора. Это позволяет улучшить качество получаемого продукта, а также сократить время процесса.

Предложенное техническое решение позволяет значительно упростить конструкцию пульсационного реактора, отсутствие . подвижных частей и клапанного устройства повышает надежность его работы, Кроме того, предложенная конструкция обеспечивает минимальное гидросопротивление внутреннего тракта реактора, что позволяет снизить энергозатраты при его работе.

20 вается амплитуда объемных пульсаций газонаполненного элемента. Момент воз- буждения резонансного режима фиксируется с помощью системы контроля 13 по изменению показаний датчика. величины гидродинамического давления 12. Резкое увеличение турбулизации свободной поверхности жидкости вызывает захват ею газа из верхней части корпуса, который в условиях высокого гидродинамического давления

30 диспергируется на множество мелких пуэырьков, насыщающих объем жидкости.

Реакционная смесь превращается в гидроэоль, заполняющий весь объем реактора, и приобретает свойство сжимаемости, что до35 полнительно увеличивает интенсивность ее

Уровень заполнения реактора жидкостью составляет 80 — 90% от его объема (при этом газовая "подушка" соответственно равна 20-10О ), причем с увеличением плотности реакционной смеси уровень заполнения увеличивается. Плотность реакционной смеси зависит от плотности и объемного соотношения исходных компонентов. В зависимости от плотности смеси и уровня заполнения реактора изменяется значение собственной частоты колебаний системы жидкость — газ, являющийся резонансной.

Наличие датчика 12 величины гидродинамического давления, установленного в газовой полости реактора и подключенного к блоку системы контроля 13, позволяет установить в каждом конкретном случае резонансную частоту системы,по пиковому увеличению гидродинамического давления: в режиме резонанса эта полость заполняется турбулентной жидкостью, точнее, гидрозолем, и давление в ней возрастает более чем в 30 раз. В нижней же (жидкостной) части реактора гидродинамическое давление. возрастает в -. 4 раза. турбулентных пульсаций, застойные зоны внутри реактора отсутствуют, При этом частота пульсаций реакционной смеси в предложенном реакторе в десятки раз

40 превышает частоту пульсаций в известном реакторе.

Установка гаэонаполненного торообразного элемента 8 с зазором на стойках 11 между радиальными ребрами 9 и 10 обеспечивает ему возможность свободных объемных пульсаций в условиях резонансных колебайий системы и не создает сопротив.ления турбулентным пульсациям реакционной смеси. При этом верхние ребра удерживают газонаполненный тор на заданном уровне в жидкости, а нижние не позволяют ему опуститься на днища корпуса в конце слива жидкости, что затруднило бы слив.

Наличие в пульсирующей жидкой среде активных газовых пузырьков, насыщающих весь объем жидкости. способствует повышению интенсивности массообмена между реагентами получаемой смеси.

55 которой газ играет роль упругого элемента, а находящийся над ним столб жидкости — 5 f733071

При экспериментальной отработке предложенного устройства измерение величины гидродинамического давления внутри реактора осуществлялось с помощью акустического датчика-преобразователя давления ЛХ-610, имеющего чувствительность 5,4 мкВ/H/ì . Датчик подключался к микровольтметру В3-57. Давление эамерялось в нижней части реактора (у днища) и в верхней ere части (в газовой полости, у крышки корпуса).

При отсутствии резонанса максимальное гидродинамическое давление у днища реактора составляло по показанию датчика 2х10 мкВ, а в газовой полости 2х10 мкВ или соэотвеуственно 3,7х10 Н/м и

3,7х10 Н/м при среуней плотности реакционной смеси 1 г/см

В режиме резонанса гидродинамическое давление в реакторе резко повышалось и составляло (8-9)х10 мкВ у днища и (6.57)х10 мкВ у крышки реактора или соответствен о 1,48-1,66х10 Н /м и 1,21,3х10 Н/м .

В случае более высокой плотности реакционной смеси гидродинамическое давле5 ние в реакторе (величина его пиковых значений в положительные полупериоды пульсациИ давления) при резонансе увеличивается и может достигать 2-2,5 ати.

Ф о рмула и эо бр ете н ия

10 Пульсационный реактор. содержащий вертикальный цилиндрический корпус, расположенную внутри него пульсационную камеру с пульсопроводом и технологические патрубки, отличающийся тем, что, 15 с целью интенсификации процесса за счет создания свободных объемных пульсаций и упрощения конструкции, он снабжен упругим газонаполненным элементом, расположенным между торцом пульсационной

20 камеры и днищем корпуса, при этом газонаполненный элемент выполнен в виде тора, . установленного по центру корпуса.

1733071

Составитель М,Сыровец

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Редактор И.Сегляник

Производственно-издательский комбинат "Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 1620 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ори ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5