Способ проведения массотеплообменных процессов в центробежных экстракторах

Изобретение относится к области жидкостной экстракции, проводимой с помощью центробежных экстракторов дифференциально-контактного типа с радиальными потоками обрабатываемых жидких смесей. Способ включает безнапорную подачу контактирующих жидкостей в аппарат. Аппарат состоит из неподвижного корпуса, снабжаемого устройствами подачи и отвода жидкостей, и ротора, выполненного в виде полого плоскоцилиндрического диска, внутри которого размещена насадка. Ротор профилирован, насадку секционируют как по направлению радиуса, так и окружности. Высоту насадочной полости по радиальному направлению определяют по зависимости: где h_Ro и h_Ri - высота насадочной полости ротора, соответственно на радиусе Ro и Ri, x=1,18÷1,87. Насад очным секциям придают индивидуальный привод, число оборотов которых зависит от интенсивности центробежного поля и определяется по формуле где n_Ri и n_Ro - число оборотов секций на соответствующем радиусе Ri и Ro. Изобретение позволяет на 20-30% повысить эффективность экстракторов, в 1,5-2 раза увеличить производительность, в 1,5-3 раза уменьшить габариты и вес, в 2-3 раза уменьшить энергопотребление, оптимизировать структуру радиальных потоков в экстракторах и улучшить технологические параметры аппаратов. 1 ил.

 

Изобретение относится к массо-теплообменным процессам, проводимым при помощи центробежных экстракторов, а именно центробежных дифференциально-контактных жидкостных экстракторов безнапорного типа.

Известен ряд способов повышения эффективности экстракторов центробежного типа за счет усложнения имеющихся насадок, установки в них дополнительных элементов, позволяющих интенсифицировать процесс массообмена (А.С. СССР №592422, 1978 г.; №136714, 1961 г.; №946584, 1982 г.; №49412, 1975 г.).

Наиболее близким аналогом по технической сущности является способ проведения массо-теплообменных процессов в центробежных экстракторах по авторскому свидетельству SU 955975 А, В 01 D 11/04, 07.09. 1982, состоящий из неподвижного корпуса, снабжаемого устройствами подачи и отвода жидкостей, и ротора, выполненного в виде полого плоскоцилиндрического диска, внутри которого размещена насадка в виде коаксиальных перфорированных цилиндров и шаровых сегментов, прикрепленных пружиной к внутренней стенке цилиндров.

Существенным недостатком данного способа - решение частной задачи по повышению эффективности, в основном, из конструктивных соображений и путем усложнения насадочных устройств и не учитывают весь комплекс задач по оптимизации структуры процессов массообмена.

Экстрактор имеет следующие недостатки:

- сложность конструкции насадки:

- неравномерность движения радиальных внутрироторных потоков;

- уменьшение удерживающей способности в направлении радиуса от центра к периферии;

- производительность лимитируется центральной частью насадки, что вызывает увеличение радиуса аппарата.

Целью предложенного способа является повышение эффективности за счет создания оптимальной структуры потоков контактирующих жидкостей в насадках центробежных экстракторах и конструкций насадок и насадочных ее элементов, с учетом всей совокупности влияющих факторов на процесс массообмена, технологических и конструктивных требований.

Решение данной проблемы позволит не только значительно повысить эффективность проведения процессов массообмена, но и унифицировать подход к разработке экстракторов, и конструктивных элементов насадок, упростить технологические расчеты, уменьшить габариты и энергопотребление экстракторов.

Техническая задача решается тем, что предлагается способ проведения массо-теплообменных процессов в центробежных экстракторах, включающий безнапорную подачу контактирующих жидкостей в аппарат, который состоит из неподвижного корпуса, снабжаемого устройствами подачи и отвода жидкостей, ротора, выполненного в виде полого плоскоцилиндрического диска, внутри которого размещена насадка, отличающийся тем, что ротор профилирован, насадку секционируют как по направлению радиуса, так и окружности, высоту насадочной полости по направлению радиуса определяют по зависимости:

где h_Ro и h_Ri - высота насадочной полости ротора, соответственно на радиусе Ro и Ri, Х=0,20÷1,87 в зависимости от типа насадок, насадочным секциям придают индивидуальный привод, число оборотов которых зависит от интенсивности центробежного поля и определяется по формуле:

где n_Ri и n_Ro - число оборотов секций на соответствующем радиусе Ro и Ri.

Сущность предлагаемого метода - повышение эффективности проведения процессов жидкостной экстракции заключается в методическом подходе к последовательной оценке всех влияющих параметров на эффективность, с учетом использования оптимальных параметров насадочных элементов, полученных авторами, который позволяет выявить функциональную зависимость эффективности от геометрических параметров насадок, в том числе от радиуса ротора экстрактора (фиг.1.1), создать оптимальную структуру радиальных потоков контактирующих жидкостей (фиг.1.2), профилирование ротора в направлении радиуса (фиг.1.3), секционирование насадок и придания им, при необходимости, индивидуального привода.

Оценка эффективности экстрактора (фиг.1.1) определяется по фактору эффективности (Фо.т.с.), который зависит от числа теоретических тарелок (ч.т.с.), рабочей нагрузки (Qp) и объема контактной зоны ротора (Vк.з), т.е. Фо.т.с.˜f₁ (Qp, ч.т.с., Vк.з), где унифицированная формула по определению суммарной рабочей нагрузки при одно- и двухфазном истечении жидкостей из элементов насадок, ω - угловая скорость, R - радиус расположения насадочного элемента, h - высота проходного отверстия (щели) элемента, Δρ - разность плотностей двухфазного потока, ρ_см - плотность смеси двухфазного потока, находящейся в насадочной полости ротора, ΔR - ширина подпорного слоя жидкости при однофазном истечении, значение числа теоретических тарелок определяется экспериментально, а объем контактной зоны определяется при проектировании экстрактора технологическими и конструктивными требованиями.

Известно что влияющие параметры в свою очередь зависят от частных параметров, тогда функциональная зависимость запишется в виде:

где К_ф - коэффициент массопередачи, а - удельная поверхность контакта фаз,

U_д, U_c и ρ_д, ρ_c - соответственно плотность и скорость дисперсной и сплошной фазы (жидкости), d_k - размер частиц дисперсной фазы, ϕ - удерживающая способность, Г - геометрический параметр насадки.

Принимая во внимание, что при проектировании экстрактора физико-химические свойства обрабатываемых жидкостей и расходы их задаются, габаритные размеры экстрактора и число оборотов определяются из технологических и конструктивных соображений, то они являются величинами постоянными, поэтому при дальнейшем анализе их не учитываем, тогда функциональную зависимость можно представить в следующем виде:

Где с, y и z - показатели степеней из соответствующих расчетных зависимостей, определяющие данные параметры.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований получены оптимальные параметры насадок:

- высота проходного отверстия (щели) - 2 мм;

- ширина (длина) элементов насадок в радиальном направлении в пределах ΔR+(2÷3)d_k, где ΔR - ширина напорного слоя тяжелой фазы;

- расстояние между элементами насадок радиальном направлении - 2 мм, между секциями ΔR+(4÷7)d_k;

- угол наклона волнообразных и иксообразных дисков 45°;

- количество дисков, цилиндров в пределах 5÷7 шт.

Таким образом, обобщая выше приведенное, получаем, что для радиальных внутрироторных потоков в центробежных экстракторах фактор эффективности зависит от радиуса расположения насадочных элементов, их количества и изменения профиля (высоты) насадочной полости ротора в направлении радиуса, т.е. где показатель степени k=x+y+z.

Следовательно, изменение высоты насадочной полости ротора в направлений радиуса определится по зависимости:

где х=0,2÷1,87, в зависимости от типа насадок.

Пример реализации способа повышения эффективности проведения массо-теплообменных процессов покажем на наиболее известных и перспективных конструкций центробежных экстракторов дифференциально-контактного типа с радиальными потоками обрабатываемых жидких смесей и безнапорной подачей их во вращающийся ротор (фиг.1.1):

1. Исходные данные для проектирования:

Заданы: рабочая производительность экстрактора, физико-химические свойства обрабатываемых смесей, число оборотов задаются в пределах 1000÷3000 об/мин. Кроме того, известны некоторые расчетные зависимости для определения производительности, скоростей фаз, размера дисперсных частиц удерживающей способности.

2. Определим слагаемые показателя степени «х», для плоскоцилиндрического ротора и радиальных потоков. Геометрическая составляющая, площадь проходного сечения (межтарелочного зазора) изменяется пропорционально радиусу, и соответственно, изменение легкой (сплошной) фазы т.е. F_Ri˜f(R) или W_c˜f(R)

Скорость дисперсной (тяжелой фазы) изменяется по радиусу, например, в зависимости от значении величины критерия Рейнольдса, определяющего режим движения при

Re<1,6 V_Д˜R

1,6<Re_r>420 V_Д˜R^0,73

Re>Re_r V_Д˜R^0,18,

где индекс r - граничный.

Условие сохранения постоянства удерживающей способности будет выполняться если к геометрической зависимости добавим скоростную часть. Данное условие обеспечивает также постоянство размера дисперсных частиц и поверхности контакта фаз, соответственно и коэффициента массопередачи.

Для режима движения потоков Re>Re_r получим, что

Эта формула пригодна для расчета профиля проходного сечения безнасадочного ротора, насадок из коаксиальных и эксцентричных цилиндров.

3. Насадка из волнообразных дисков.

Известно, что коэффициент массопередачи k˜f(U^2,1), принимаем U^2,1˜Ri^0,18, имеем k˜f(R^0,378), тогда профиль получим в виде

которое будет определять постоянство удерживающей способности. Количество дисков в кольцевых пакетах определим из соотношения

4. Насадка в виде спиральных каналов

Удерживающая способность ϕ˜f(1/δ^0,65).

Скорость потока U_Д˜f(R^0,27),

где δ - ширина спирального канала, принимаемая постоянной для удобства изготовления, и профиль будет определятся по зависимости

5. Насадка из иксообразных кольцевых конических дисков

Скорость сплошной фазы W_с˜f(R)

Скорость тяжелой фазы состоит из: скорости истечения ее из круговых щелей в виде струй и капель и скорости капель в межкольцевом пространстве. U_Д˜f(R^0,18).

Скорость истечения Uист˜f(μ′R) или

где μ′ - коэффициент истечения.

Среднюю скорость дисперсной фазы рассчитать сложно из необходимости определения длины струй, поэтому принимаем наибольший показатель - 0,3, тогда профиль определяется по зависимости

И соответственно, количество дисков:

Расчет, например, по коэффициенту массопередачи показывает аналогичную зависимость добавим геометрическую составляющую и получим

6. Секционированные насадки и каскадного типа

Определим число оборотов секций и каскадов, исходя из интенсивности центробежного поля с учетом сохранения, например, одинакового расхода их.

Центробежное ускорение j=ω²R,

где ω - угловая скорость ротора и ω˜f(n) - числу оборотов в минуту, тогда запишем

Таким образом, можно оптимизировать структуру радиальных потоков центробежных экстракторов безнапорного типа и рассчитать профиль насадочной (контактной) полости ротора и других насадок.

По результатам обработки опытных данных, полученных на экспериментальных образцах центробежных экстракторов, по сравнению с аналогами получены следующие преимущества:

По сравнительной оценке экстракторов по фактору эффективности получено увеличение эффективности аппаратов на 20-23%, в том числе:

- увеличение производительности 1,5-2 раза;

- уменьшение энергопотребления 2-3 раза;

- уменьшение габаритов и веса в 1,5-3 раза;

- улучшение технологичности конструкций и упрощения конструктивных расчетов.

Данные для расчетов были взяты из работ, выполненных под руководством профессора, д.т.н. Поникарова И.И., Казанского Химико-технологического института.

Способ проведения массотеплообменных процессов в центробежных экстракторах, включающий безнапорную подачу контактирующих жидкостей в аппарат, который состоит из неподвижного корпуса, снабжаемого устройствами подачи и отвода жидкостей, и ротора, выполненного в виде полого плоскоцилиндрического диска, внутри которого размещена насадка, отличающийся тем, что ротор профилирован, насадку секционируют как по направлению радиуса, так и окружности, высоту насадочной полости по радиальному направлению определяют по зависимости где h_Ro и h_Ri - высота насадочной полости ротора соответственно на радиусе Ro и Ri, х=1,18÷1,87, насадочным секциям придают индивидуальный привод, число оборотов которых зависит от интенсивности центробежного поля и определяется по формуле где n_Ri и n_Ro - число оборотов секций на соответствующем радиусе Ri и Ro.