Колонный массообменный аппарат

 

Изобретение относится к колонным массообменным аппаратам и может быть использовано в химической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности для осуществления процессов экстракции, сорбции, выщелачивания и отмывки жидкими и газообразными реагентами зернистых и мелкодисперсных материалов, в том числе радиоактивных, в режимах прямотока и противотока. Сущность изобретения заключается в том, что в колонном массообменном аппарате корпус имеет плоское днище, концевая пластина штока вибропривода выполнена жесткой и снабжена перфорацией, при этом концевая пластина и патрубок для вывода продуктов взаимодействия установлены вблизи днища корпуса так, что в среднем положении пластины ее боковая кромка находится напротив входного отверстия патрубка. Патрубок для вывода продуктов взаимодействия предпочтительно направлен вверх относительно днища корпуса под углом 15-45° к оси аппарата, а каждая тарельчатая насадка на штоке вибропривода может иметь ряд расположенных соосно идентичных наклонных перегородок, выполненных в виде усеченных правильных пирамид, при этом угол наклона перегородок двух соседних насадок относительно оси аппарата составляет соответственно 30-60° и 120-150°. Для работы как в режиме прямотока, так и противотока верхняя и нижняя части корпуса выполнены расширяющимися, причем в верхней части корпуса установлен дополнительный патрубок для вывода продуктов взаимодействия, а в нижней части - дополнительный патрубок для подачи исходного реагента. Достигаемый результат заключается в создании конструкции колонного массообменного аппарата, обеспечивающей надежную работу в условиях интенсивного массообмена в режимах прямотока и противотока. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к колонным массообменным аппаратам и может быть использовано в химической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности для осуществления процессов экстракции, сорбции, выщелачивания и отмывки жидкими и газообразными реагентами зернистых и мелкодисперсных материалов, в том числе радиоактивных, в режимах прямотока и противотока.

При осуществлении массообмена в системах жидкость - твердое и жидкость - жидкость возникает проблема обеспечения непрерывного процесса в связи с образованием осадков в реакционной зоне аппарата, которые, накапливаясь в его нижней части и отводящих трубопроводах, нарушают нормальную работу аппарата. Это приводит к необходимости периодической остановки аппарата для устранения накопившихся осадков, что снижает эффективность массообменного процесса в целом.

Известен колонный массообменный аппарат (см. Авт. свид. СССР N 498012, М. Кл. ⁷ B 01 J 8/04, 1976), включающий вертикальный корпус с патрубками ввода и вывода реагентов, загрузочную трубу, установленную по оси корпуса, перфорированные тарелки, закрепленные на трубе, направляющий конус, размещенный под загрузочной трубой, и поплавок, жестко соединенный с конусом и установленный в нижней части корпуса с возможностью возвратно-поступательного движения. Нижняя перфорированная тарелка выполнена подвижной, соединена с поплавком и снабжена щетками, установленными по ее периферии.

Недостатками указанного аппарата являются его невысокая эффективность и ненадежность работы по причине повышенного износа уплотняющих элементов поплавка, особенно при использовании суспензий и агрессивных сред, что ведет к снижению производительности аппарата и его захлебыванию. Кроме того, аппарат не может работать в режиме прямотока, что ограничивает область его применения.

Известен также колонный массообменный аппарат (см. Авт. свид. СССР N 1095925, М. Кл.⁷ B 01 D 11/02, 1984), включающий вертикальный цилиндрический корпус с днищем и коаксиально размещенными внутри корпуса цилиндроконической обечайкой и направляющим цилиндром, имеющим в верхней части отстойную камеру, осевой шток с перфорированными тарелками, на конце которого закреплены стакан и эластичная концевая пластина, выполненная сплошной, вибропривод, соединенный со штоком, патрубки для подачи исходной суспензии и патрубки для вывода продуктов взаимодействия и непрореагировавшего остатка. Днище корпуса выполнено в виде усеченного конуса. Патрубки для подачи исходной суспензии установлены соответственно в отстойной камере и в цилиндроконической обечайке, а патрубки для вывода продуктов взаимодействия и непрореагировавшего остатка сообщены соответственно с центральной частью направляющего цилиндра и с верхней полой частью штока.

Известный массообменный аппарат характеризуется недостаточно высокими эффективностью и надежностью по причине заиливания нижней части аппарата при проникновении мелкодисперсных частиц под эластичную концевую пластину через зазор между стаканом и обечайкой, что затрудняет циркуляцию осветленной жидкости и приводит к поступлению необработанной суспензии в патрубок, отводящий готовый продукт. Кроме того, аппарат невозможно использовать в режиме прямотока, что ограничивает область его применения.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи интенсификации массообмена и повышения надежности работы аппарата за счет исключения заиливания аппарата и улучшения его гидродинамических характеристик как в прямоточном, так и в противоточном режимах.

Поставленная задача решается тем, что в колонном массообменном аппарате, содержащем вертикальный корпус с днищем, вибропривод, шток со сквозными тарельчатыми насадками и концевой пластиной, размещенный по оси корпуса и жестко соединенный с виброприводом, патрубок для подачи исходного реагента, установленный в верхней части корпуса, и патрубок для вывода продуктов взаимодействия, согласно изобретению корпус имеет плоское днище, концевая пластина выполнена жесткой и снабжена перфорацией, при этом концевая пластина и патрубок для вывода продуктов взаимодействия установлены вблизи днища корпуса так, что в среднем положении пластины ее боковая кромка находится напротив входного отверстия патрубка.

Поставленная задача решается также тем, что патрубок для вывода продуктов взаимодействия направлен вверх относительно днища корпуса под углом 15-45^o к оси аппарата.

Поставленная задача решается также и тем, что каждая тарельчатая насадка имеет ряд расположенных соосно идентичных наклонных перегородок, выполненных в виде усеченных конусов или усеченных правильных пирамид, при этом угол наклона перегородок двух соседних насадок относительно оси аппарата составляет соответственно 30-60^o и 120-150^o.

На решение поставленной задачи направлено также и то, что верхняя и нижняя части корпуса выполнены расширяющимися наружу, причем в верхней части корпуса установлен дополнительный патрубок для вывода продуктов взаимодействия, а в нижней части - дополнительный патрубок для подачи исходного реагента.

Выполнение днища корпуса аппарата плоским, концевой пластины - жесткой и перфорированной и ее расположение вблизи днища корпуса обусловлены необходимостью создания турбулентных вихрей в придонной зоне за счет мощных струй, которые возникают в отверстиях концевой пластины при ее возвратно-поступательном движении. Благодаря этим вихрям, твердые частицы непрореагировавшего остатка не оседают на дно аппарата, что исключает его заиливание и способствует очистке патрубка для вывода продуктов взаимодействия.

Установка пластины и патрубка для вывода продуктов взаимодействия таким образом, что в среднем положении пластины ее боковая кромка находится напротив входного отверстия патрубка, исключает возможность его заиливания непрореагировавшим остатком. Это достигается за счет того, что пластина, совершая в зоне входного отверстия патрубка возвратно-поступательные движения от верхней крайней точки к нижней, создает гидравлические удары, которые воздействуют на днище корпуса и внутреннюю полость патрубка, обеспечивая их самоочищение как в прямоточном, так и в противоточном режимах.

Установка патрубка для вывода продуктов взаимодействия под углом 15-45^o к оси аппарата с наклоном кверху относительно днища корпуса позволяет создать наиболее благоприятные условия для самоочищения днища и внутренней полости выпускного патрубка. Наклон патрубка под углом менее 15^o к оси аппарата нежелателен по конструктивным соображениям, так как при этом усложняется монтаж патрубка, а при угле наклона более 45^o снижается возможность самопроизвольной очистки патрубка.

Конструкция тарельчатых насадок, каждая из которых имеет ряд расположенных соосно идентичных наклонных перегородок, выполненных в виде усеченных пирамид или конусов, вложенных один в другой, позволяет создать активную турбулентность в рабочей зоне колонны, в результате чего увеличивается интенсивность массообмена. Это достигается за счет того, что угол наклона перегородок двух соседних насадок относительно оси аппарата составляет 30-60^o и 120-150^o. Благодаря этому потоки взаимодействующих веществ совершают зигзагообразное движение, дросселируя через зазоры, образованные наклонными поверхностями. При этом создаются мощные турбулентные вихри, энергия которых расходуется на активное перемешивание реагентов, что и приводит к интенсификации процесса массопередачи. Кроме того, твердые частицы, соударяясь с наклонными поверхностями и меняя направление движения на каждой насадке, увеличивают время своего пребывания в аппарате, которое тем больше, чем выше интенсивность вибраций насадки. Это создает условия для увеличения степени растворения или выщелачивания твердой части суспензии.

Выполнение верхней и нижней частей корпуса расширяющимися с размещением в верхней части корпуса дополнительного патрубка для вывода продуктов взаимодействия, а в нижней части - дополнительного патрубка для подачи исходного реагента дает возможность осуществлять в аппарате как режим прямотока, так и противотока. При этом расширения в верхней и нижней частях корпуса способствуют более эффективному разделению взаимодействующих фаз.

Указанные выше отличия и преимущества изобретения позволяют надежно и эффективно проводить массообменные процессы как в режимах прямотока, так и противотока при использовании систем "твердое тело - жидкость" и "жидкость - жидкость", особенно когда в результате химического взаимодействия фаз образуются осадки.

Фиг. 1 - колонный массообменный аппарат для работы в режиме прямотока; фиг. 2 - фрагмент придонной части аппарата на фиг. 1 в увеличенном изображении; фиг. 3 - фрагмент насадки на фиг. 1 в увеличенном изображении при ее движении вверх; фиг. 4 - фрагмент насадки на фиг. 1 в увеличенном изображении при ее движении вниз; фиг. 5 - сечение A-A наклонных перегородок насадки на фиг. 1, выполненных в виде усеченных конусов; фиг. 6 - сечение A-A наклонных перегородок насадки на фиг. 1, выполненных в виде усеченных правильных пирамид; фиг. 7 - колонный массообменный аппарат для работы в режимах прямотока и противотока.

Колонный массообменный аппарат согласно изобретению (см. фиг. 1) содержит корпус 1 с плоским днищем 2, вибропривод 3, шток 4 со сквозными тарельчатыми насадками 5, концевую пластину 6, патрубок 7 для подачи исходных реагентов в виде суспензии, патрубок 8 для вывода продуктов взаимодействия и нерастворенного остатка. Концевая пластина 6 выполнена жесткой из полипропилена, снабжена перфорацией 9 и имеет боковую кромку 10 (см. фиг. 2). Патрубок 8 с входным отверстием 11 и концевая пластина 6 установлены вблизи днища 2 корпуса 1 так, что в среднем положении пластины 6 ее боковая кромка 10 находится напротив входного отверстия 11 патрубка 8. Патрубок 8 направлен вверх относительно днища 2 корпуса 1 под углом λ , равным 15-45^o. Тарельчатые насадки 5 имеют наклонные перегородки 12 (см. фиг. 3 и 4), причем углы наклона α и β перегородок 12 двух соседних насадок 5 относительно оси аппарата составляют соответственно 30-60^o и 120-150^o. Наклонные перегородки 12 представляют в сечении окружности 13, если они выполнены в виде усеченных конусов (см. фиг. 5), или правильные многоугольники 14, если перегородки выполнены в виде усеченных правильных пирамид (см. фиг. 6). Такое выполнение аппарата позволяет использовать его при работе в режиме прямотока.

Для работы в режимах как прямотока, так и противотока аппарат (см. фиг. 7) дополнительно оснащен верхним 15 и нижним 16 расширениями, причем верхнее расширение оборудовано дополнительным патрубком 17, а нижнее - дополнительным патрубком 18. Патрубок 17 предназначен для вывода продукта взаимодействия более легкого, по сравнению с продуктом, выводимым из патрубка 8, патрубок 18 - для подачи исходного реагента, плотность которого меньше плотности реагента, вводимого через патрубок 7.

Положение концевой пластины 6 характеризуется тремя уровнями (см. фиг. 2): крайним верхним 19, крайним нижним 20 и средним 21.

Работа колонного массообменного аппарата (см. фиг. 1, 2) происходит следующим образом. Через патрубок 7 в аппарат подают жидкую фазу исходного реагента, которая заполняет его до уровня верхней тарельчатой насадки 5, после чего включают вибропривод 3. Затем через патрубок 7 загружают твердый зернистый материал в сухом виде или в виде суспензии. При движении штока 4 вверх (см. фиг. 3) жидкая фаза и находящиеся в ней твердые частицы материала, попадая в пространство между наклонными перегородками 12 тарельчатых насадок 5, отбрасываются перегородками поочередно то к периферии корпуса, то к штоку 4, совершая зигзагообразное движение, направленное вниз согласно стрелкам b. Изменение направления движения потока сопровождается возникновением турбулентных вихрей, которые достигают наклонных поверхностей нижерасположенной насадки, в результате чего твердые частицы ударяются о них и изменяют свое первоначальное направление.

При движении штока 4 вниз поток твердых частиц и жидкой фазы начинает перемещаться по траектории, показанной на фиг. 4 стрелками d. Однако твердые частицы, имеющие большую плотность по сравнению с жидкой фазой, обладают большей инерционностью, благодаря чему они не увлекаются жидкой фазой вверх, а продолжают движение вниз. Таким образом, твердые частицы при вибрации тарельчатых насадок 5 совершают зигзагообразное движение в турбулентных струях и, ударяясь о поверхности перегородок 12, продолжают двигаться вниз со скоростью, меньшей, чем скорость, обусловленная силой тяжести твердых частиц. Благодаря этому увеличивается время пребывания суспензии в аппарате. Энергия, передаваемая частицам, активизирует их, в результате чего усиливается массоотдача от твердой фазы в жидкую и происходит активное растворение частиц.

Нерастворенные частицы, пройдя через последнюю насадку 5, под действием гравитационных сил достигают днища 2 корпуса 1 и попадают в сильно турбулизованную зону, создаваемую вибрирующей концевой пластиной 6 за счет перфорации 9 (см. фиг. 2). Наличие мощных турбулентных вихрей не позволяет осесть на дно даже очень тяжелым частицам. Кроме того, пластина 6 генерирует гидравлические удары, частично направленные в патрубок 8. Это происходит благодаря тому, что боковая кромка 10 концевой пластины 6 расположена напротив центра входного отверстия 11 патрубка 8 в непосредственной близости от него. Когда пластина 6 под воздействием вибраций совершает перемещения от крайнего верхнего положения 19 до крайнего нижнего 20, ее среднее положение 21 постоянно находится в пределах отверстия 11. Так как жидкая фаза практически несжимаема, то при движении пластины 6 вниз с ее боковой кромки 10 срываются вихревые импульсы жидкости, часть которых попадает в патрубок 8 через отверстие 11. При движении пластины 6 вверх под ней создается разрежение, которое способствует возникновению в наклонном патрубке 7 обратных по знаку вихревых импульсов жидкости. Импульсы жидкости вызывают гидравлические удары в полости патрубка 6, что исключает накопление в нем твердых частиц и гарантирует надежную работу аппарата.

В режиме противотока работа аппарата происходит аналогично вышеописанному с той лишь разницей (см. фиг. 7), что через дополнительный патрубок 18 вводят реагент, плотность которого меньше плотности исходного реагента, поступающего через патрубок 7. Благодаря этому реагент и продукты массообмена, образовавшиеся в нем, движутся вверх, попадают в верхнее расширение 15 и выводятся из аппарата через патрубок 17.

Использование предлагаемого колонного массообменного аппарата в процессах экстракционной переработки тантал-ниобийсодержащих пульп в режиме противотока и получения алюмокремниевого коагулянта из нефелинового концентрата в режиме прямотока обеспечивает удельную производительность по сумме фаз 30-35 м³/м·час при непрерывном цикле работы в течение не менее 6 месяцев с извлечением целевого компонента до 98%.

Таким образом, предлагаемый колонный массообменный аппарат позволяет обеспечить надежную работу в условиях интенсивного массообмена в режимах прямотока и противотока.

Формула изобретения

1. Колонный массообменный аппарат, содержащий вертикальный корпус с днищем, вибропривод, шток со сквозными тарельчатыми насадками и концевой пластиной, размещенный по оси корпуса и жестко соединенный с виброприводом, патрубок для подачи исходного реагента, установленный в верхней части корпуса, и патрубок для вывода продуктов взаимодействия, отличающийся тем, что корпус имеет плоское днище, концевая пластина выполнена жесткой и снабжена перфорацией, при этом концевая пластина и патрубок для вывода продуктов взаимодействия установлены вблизи днища корпуса так, что в среднем положении пластины ее боковая кромка находится напротив входного отверстия патрубка.

2. Колонный массообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что патрубок для вывода продуктов взаимодействия направлен вверх относительно днища корпуса под углом 15-45^o к оси аппарата.

3. Колонный массообменный аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждая тарельчатая насадка имеет ряд расположенных соосно идентичных наклонных перегородок, выполненных в виде усеченных конусов или усеченных правильных пирамид, при этом угол наклона перегородок двух соседних насадок относительно оси аппарата составляет соответственно 30-60^o и 120-150^o.

4. Колонный массообменный аппарат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что верхняя и нижняя части корпуса выполнены расширяющимися, причем в верхней части корпуса установлен дополнительный патрубок для вывода продуктов взаимодействия, а в нижней части - дополнительный патрубок для подачи исходного реагента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7