Пульсационный аппарат для обработки жидкостями твердых частиц и способ его эксплуатации

 

Изобретение используют для проведения процессов обработки жидкостями твердых частиц, например пропитки, промывки, экстрагирования, выщелачивания и др. Аппарат содержит один и более одинаковых рабочих корпусов, закрытых сверху крышками и соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки. К рабочим корпусам в нижней части подключена труба, верхний конец которой соединен с пульсационным корпусом. Побудитель колебаний давления подключен к верхней части рабочих корпусов или пульсационного корпуса. Объем жидкости V_п(M³) в пульсационном корпусе должен устанавливаться не менее где р₀ - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в начале цикла сжатия, Па; р_к - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия, Па; V_вp - сумма объемов воздуха в рабочих корпусах при давлении р₀, м³. Способ эксплуатации аппарата заключается в возбуждении колебаний суспензии в аппарате. При подводе колебаний давления к верхней части рабочих корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз превышает продолжительность сброса давления, а при подводе колебаний давления к верхней части пульсационных корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз короче продолжительности сброса давления. При эксплуатации аппарата данной конструкции достигается повышение его надежности и эффективности. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение может быть использовано для проведения процессов обработки жидкостями твердых частиц, в том числе капиллярно-пористых, например пропитки, промывки, экстрагирования, выщелачивания, проведения ионообменных процессов, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, лесохимической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности. Преимущественная область применения - мелкодисперсные и уплотняющиеся твердые частицы.

Известен аппарат для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц (МПК 6 B 01 D 11/02, 12/00, пат. РФ 2077362), содержащий один или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, причем в каждом корпусе симметрично размещены содержащие обрабатываемую суспензию одинаковые заглушенные в верхней части камеры с проницаемыми для жидкости днищами и, по меньшей мере, одна из них соединена с побудителем колебаний давления.

В известном аппарате возможно достижение взвешивания твердых частиц, приводящее к ускорению процессов массопереноса в объеме аппарата, достижимы также значительные амплитуды давления, способствующие ускорению массопереноса внутри частиц. Однако при обработке уплотняющихся частиц, к которым относятся многие виды растительного сырья, в той камере, где жидкость фильтруется, двигаясь вниз, происходит сжатие (уплотнение) слоя частиц, приводящее к резкому увеличению гидравлического сопротивления слоя. В результате скорость жидкости падает практически до нуля, и, как следствие - в другой камере, где жидкость движется вверх, не происходит взвешивания слоя частиц. В обеих камерах образуется очень плотный слой частиц с низкой проницаемостью, где процессы массопереноса существенно затруднены из-за отсутствия конвективного переноса вещества. Аналогичные явления, связанные с высоким гидравлическим сопротивлением, характерны и для неуплотняющихся мелкодисперсных частиц. Общий итог - практически полная потеря функциональной работоспособности аппарата (т.е. его отказ), резкое падение эффективности процесса массопереноса вследствие ее перехода в чисто диффузионную область. Все это является серьезным недостатком аппарата и сводит на нет все его достоинства.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение надежности и эффективности аппарата.

Нужный результат достигается тем, что в пульсационном аппарате для обработки жидкостями твердых частиц, содержащем один или более одинаковых рабочих корпусов, закрытых сверху крышками и соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, к рабочим корпусам в нижней части подключена труба, верхний конец которой соединен с пульсационным корпусом, причем побудитель колебаний давления подключен к верхней части рабочих корпусов или пульсационного корпуса, а объем жидкости V_п (м³) в пульсационном корпусе должен устанавливаться не менее где p₀ - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в начале цикла сжатия, Па; p_к - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия, Па; V_вр - сумма объемов воздуха в рабочих корпусах при давлении р₀, м³, при этом в пульсационном корпусе установлен отбойник.

Нужный результат достигается также тем, что способ эксплуатации пульсационного аппарата для обработки жидкостями твердых частиц заключается в возбуждении колебаний суспензии в аппарате, причем при подводе колебаний давления к верхней части рабочих корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз превышает продолжительность сброса давления, а при подводе колебаний давления к верхней части пульсационных корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз короче продолжительности сброса давления.

На фиг.1-4 показаны варианты реализации аппарата. На фиг.1, 2 побудитель колебаний давления соединен с пульсационным корпусом, а на фиг.3, 4 - с рабочими корпусами.

Аппараты, показанные на фиг.1, 3, содержат один рабочий корпус, а аппараты, представленные на фиг.2, 4 - по два рабочих корпуса. Рабочие корпусы 1 в нижней части соединены друг с другом посредством трубы 2, к которой подключен пульсационный корпус 3. Пульсационный корпус 3 (на фиг.1, 2) либо рабочие корпусы 1 (на фиг.3, 4) в верхней своей части соединены с побудителем колебаний давления 4, в качестве которого может служить цилиндр с поршнем, совершающим возвратно-поступательные движения, либо пневмоклапан, управляемый генератором импульсов. Рабочие корпусы 1 в нижней части снабжены также проницаемыми для жидкости перегородками 5, а в верхней части рабочие корпусы 1 закрыты крышками 6. На проницаемых перегородках 5 уложен слой 7 обрабатываемых твердых частиц. В пульсационном корпусе 3 может быть установлен отбойник 8, служащий для предотвращения проскока струи жидкости в побудитель колебаний при его подключении к пульсационному корпусу (фиг.1, 2). В случае ввода колебаний к нескольким рабочим корпусам побудитель колебаний подключают к трубе 9, соединенной с верхними частями рабочих корпусов (фиг. 4). Рабочие корпусы могут быть снабжены рубашкой, змеевиками для нагрева рабочей среды (условно не показаны). Люки для загрузки и выгрузки твердого материала могут быть установлены в верхней и боковой части корпуса соответственно и на схемах условно не показаны. Кроме того, для выгрузки твердого материала днища рабочих корпусов могут быть выполнены откидными.

Аппараты работают следующим образом. В рабочие корпусы 1 загружают исходные компоненты - твердые частицы и жидкость, при этом объем жидкости в пульсационном корпусе должен устанавливаться не менее где р₀ - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в начале цикла сжатия, Па; р_к - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия, Па; V_вр - сумма объемов воздуха в рабочих корпусах при давлении р₀, м³.

После этого крышки 6 рабочих корпусов закрывают и включают побудитель колебаний 4. В стадии импульса (увеличения давления) в пульсационный корпус 3 (см. фиг. 1, 2) или в рабочие корпусы 1 (см. фиг.3, 4) из побудителя колебаний подается сжатый газ (например, воздух). Далее процесс колебаний жидкости развивается следующим образом.

В случае подключения побудителя колебаний к пульсационному корпусу 3 (см. фиг. 1, 2) под действием быстро нарастающего давления сжатого газа жидкость с большим ускорением из пульсационного корпуса перелавливается через трубу 2 в пространство под решетками 5 в рабочих корпусах 1, проникая сквозь слой твердых частиц 7, разрушая межчастичные связи и псевдоожижая его. По мере передавливания жидкости из объема пульсационного корпуса 3 уровень жидкости в рабочих корпусах 1 повышается, а газ, находящийся между крышками 6 и жидкостью в рабочих корпусах 1, сжимается, накапливая потенциальную энергию. Ввиду достаточно большого расстояния от сливного патрубка в пульсационном корпусе 3 до отбойника 8, отбойник 8 не оказывает заметного сопротивления движению жидкости. При сбросе давления величина давления в пульсационном корпусе становится близкой к атмосферному (в особых случаях может быть использовано подключение к вакуумной линии). Под действием повышенного давления сжатого газа под крышками 6 жидкость из рабочих корпусов начинает медленно перелавливаться обратно через слой частиц. Благодаря настройкам побудителя колебаний продолжительность стадии сброса давления для схем, показанных на фиг. 1, 2, в 2-20 раз (меньшие значения относятся к крупным частицам и маловязким жидкостям, большие - к мелким частицам и жидкостям с повышенной вязкостью) больше продолжительности увеличения давления, что обеспечивает достаточно медленный процесс фильтрации жидкости сквозь слой частиц 7, через трубу 2 обратно в пульсационный корпус 3, предотвращая тем самым уплотнение слоя частиц. Далее процесс колебаний повторяется. Отбойник 8 препятствует прямым попаданиям струи жидкости в побудитель колебаний.

В случае подключения побудителя колебаний к рабочим корпусам 1 (см. фиг. 3, 4) под действием медленно нарастающего давления сжатого газа жидкость с малой скоростью фильтруется сквозь слой частиц 7, передавливаясь через трубу 2 в пульсационный корпус 3. Продолжительность стадии увеличения давления в этом случае в 2-20 раз превышает продолжительность сброса давления, поэтому малая скорость движения жидкости на этой стадии предотвращает уплотнение слоя частиц на проницаемых перегородках 5. По мере передавливания жидкости из объема рабочих корпусов 1 в пульсационный корпус 3 уровень жидкости в нем повышается, а газ, находящийся над уровнем жидкости в пульсационном корпусе 1, сжимается, накапливая потенциальную энергию. При сбросе давления величина давления в рабочих корпусах становится близкой к атмосферному, причем благодаря настройкам побудителя колебаний давления сброс давления происходит за короткий промежуток времени. Под действием повышенного давления сжатого газа в пульсационном корпусе 1 жидкость из него начинает быстро передавливаться обратно в рабочие корпуса 1 через трубу 2, проникая с большим ускорением сквозь перегородки 5 и слой частиц 7, разрушая межчастичные связи и псевдоожижая слой частиц 7. Благодаря высоким диссипативным свойствам псевдоожиженный слой частиц препятствует попаданию струи жидкости в побудитель колебаний. Далее процесс колебаний повторяется.

Во всех случаях периодическое увеличение и сброс давления способствуют улучшению внутреннего массопереноса в порах частиц (при обработке капиллярно-пористых частиц), а пульсационное псевдоожижение интенсифицирует процесс перемешивания в межчастичном пространстве в объеме аппарата, способствуя выравниванию концентраций и температур.

Выполнение условия (1) гарантирует наличие в пульсационном корпусе количества жидкости, достаточного для достижения заданного давления р_к воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия.

Пример конкретного выполнения. Аппарат для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц выполнен согласно схеме, представленной на фиг.2. Номинальный объем каждого из двух рабочих корпусов - 0,5 м³, номинальный объем пульсационного - 0,1 м³. Объем воздуха в каждом рабочем корпусе при начальном абсолютном давлении (р₀=10⁵ Па) v_вр=0,05 м³. Расчетное абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия р_к=2,5•10⁵ Па. Согласно формуле (1) объем жидкости в пульсационном корпусе должен быть не менее

Аппарат с расчетным параметрами был использован для получения настойки из измельченных ягод боярышника, склонных к слеживанию и уплотнению. Продолжительность каждой из пяти ступеней процесса не превышала 30 мин, тогда как при использовании обычной технологии продолжительность каждой ступени составляет 24 часа. При этом концентрация экстрактивных веществ в полученной по предлагаемому способу настойке оказалась в 3,5 раза выше, чем в полученной при обычном настаивании. Это подтверждает высокую эффективность предлагаемого изобретения. Визуальный осмотр показал, что слой частиц после обработки в предлагаемом аппарате сохранил состояние рыхлой насыпки, т.е. не уплотнился, что свидетельствует о высокой надежности предлагаемого изобретения.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет добиться вышеуказанного технического результата.

Формула изобретения

1. Пульсационный аппарат для обработки твердых частиц, содержащий один или более одинаковых рабочих корпусов, закрытых сверху крышками и соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, отличающийся тем, что к рабочим корпусам в нижней части подключена труба, верхний конец которой соединен с пульсационным корпусом, причем побудитель колебаний давления подключен к верхней части рабочих корпусов или пульсационного корпуса, а объем жидкости V_п(м³) в пульсационном корпусе должен устанавливаться не менее

где р₀ - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в начале цикла сжатия Па;
р_к - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия, Па;
Y_вp - сумма объемов воздуха в рабочих корпусах при давлении р₀, м³.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в пульсационном корпусе установлен отбойник.

3. Способ эксплуатации аппарата по п. 1, заключающийся в возбуждении колебаний суспензии в аппарате, отличающийся тем, что при подводе колебаний давления к верхней части рабочих корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз превышает продолжительность сброса давления, а при подводе колебаний давления к верхней части пульсационных корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз короче продолжительности сброса давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4