Аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах
Владельцы патента RU 2296007:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургкий государственный технологический институт (технический университет)" (RU)
Изобретение относится к аппаратам для проведения химических реакций и массообменных процессов. Аппарат пульсационный для обработки суспензий состоит из устройства для ввода дисперсной фазы, корпус которого выполнен в виде трубы Вентури, состоящей из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, установленное в корпусе соосно с ним сопло, герметизированное посредством уплотнения и заканчивающееся патрубком ввода дисперсной фазы. Корпус снабжен подводящими патрубками, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси. Аппарат содержит также емкость с патрубком, соединяющим емкость с циркуляционным насосом, к которому подключен циркуляционный трубопровод для жидкой сплошной фазы. Емкость оборудована патрубками и циркуляционным трубопроводом для дисперсной фазы. Регулирующие клапаны предназначены для регулирования соотношения расходов вновь подаваемой и циркулирующей жидкой сплошной фазы, для регулирования соотношения расходов вновь подаваемой и циркулирующей дисперсной фазы и для отвода отработанной дисперсной фазы. Сопло имеет возможность осевого перемещения относительно корпуса. Изобретение позволяет повысить эффективность работы аппарата за счет увеличения степени диспергирования дисперсной фазы и коэффициентов массоотдачи, достижения более продолжительного времени контакта фаз. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к аппаратам для проведения химических реакций и массообменных процессов и может быть использовано для проведения процессов диспергирования газа в жидкости, одной жидкости в другой (эмульгирования), насыщения жидкостью твердых агломератов и их дробления с сопутствующими реакционными и массообменными процессами, например, для проведения экстракции, пропитки, первой стадии экстрагирования, газожидкостных реакций, аэрирования сточных вод, абсорбции в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - газ, в котором реализован способ аэрирования жидкости (МПК6 С02F 3/22, В01F 3/04, пат. РФ № 2036853, Б.И. № 16, 1995 г.), состоящий из емкости с аэрируемой жидкостью, циркуляционного насоса, трубопроводов для циркулирующей жидкости и подвода воздуха, распределительной камеры, имеющей центральный канал для ввода воздуха, а также верхний и нижний каналы - для подачи циркулирующей жидкости. Известный аппарат обладает высокой эффективностью, достигаемой за счет столкновения плоских струй жидкости, движущихся под острым углом друг к другу, при котором происходит интенсивное дробление захватываемого воздуха. Образовавшаяся струя газожидкостной смеси распространяется в жидкости в горизонтальном направлении, постепенно поднимаясь к поверхности. Недостатками известного аппарата являются следующие. Во-первых, кинетическая энергия струй жидкости в значительной степени рассеивается в жидкости, находящейся в емкости, и лишь небольшая ее часть затрачивается на дроблении пузырьков. Во-вторых, активная зона, в которой происходит диспергирование газа, ограничена небольшой областью взаимодействия струй жидкости. В-третьих, струя газожидкостной смеси обладает положительной плавучестью, в результате чего она довольно быстро всплывает в основной массе жидкости, и поэтому время пребывания газа в жидкости и контакта фаз может быть весьма коротким. Помимо этого, скорость относительного движения фаз (жидкости и газа) в струе газожидкостной смеси сравнительно мала, так как пузырьки увлекаются жидкостью, т.е. интенсивность воздействия на них заметно ослабевает по мере отдаления от распределительной камеры. Это приводит к слиянию и укрупнению пузырей, а также к снижению коэффициента массоотдачи.
Наиболее близким к заявляемому является аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - газ, в котором реализован способ аэрирования жидкости (МПК5 С02F 3/22, пат. РФ № 2023683, Б.И. № 22, 1994 г.), состоящий из емкости с аэрируемой жидкостью, высоконапорного циркуляционного насоса, гидрокомпрессорного устройства, газораспределительной камеры, циркуляционных трубопроводов, регулировочных вентилей и штуцеров. В известном аппарате упрощена подача в жидкость газовой фазы и повышена степень ее использования. Это достигается за счет использования энергии струи жидкости, создаваемой высоконапорным циркуляционным насосом, при этом отношение расхода жидкости, направляемой на нагнетание воздуха, к расходу жидкости, подаваемой тем же насосом на диспергирование воздуха в аппарате, должно находиться в диапазоне от 0,286 до 2,0. Фактически в известном аппарате процесс взаимодействия фаз осуществляется в две ступени. Первой ступенью является гидрокомпрессорное устройство, в котором происходит тонкое диспергирование газа, второй ступенью - емкость с газораспределительной камерой. Недостатками известного аппарата являются следующие. Во-первых, в гидрокомпрессорном устройстве, использованном в известном аппарате, не может быть достигнута высокая степень диспергирования вводимого газа (жидкости, твердых частиц). Во-вторых, в гидрокомпрессорном устройстве, использованном в известном аппарате, мало время пребывания газа и, следовательно, мало время контакта фаз; это связано с тем, что потоки сплошной и дисперсной сред движутся вдоль оси гидрокомпрессорного устройства с высокой скоростью. В-третьих, двухступенчатая система диспергирования газа обладает высоким сопротивлением по жидкости. По этой причине в известном аппарате приходится использовать высоконапорный циркуляционный насос, энергия которого используется недостаточно эффективно.
Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности работы аппарата за счет увеличения степени диспергирования дисперсной фазы и коэффициентов массоотдачи, достижения более продолжительного времени контакта фаз.
Поставленная задача решается тем, что в аппарате для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах, включающем устройство для ввода дисперсной фазы, емкость, циркуляционный насос, циркуляционные трубопроводы, регулирующие клапаны и штуцеры, согласно изобретению устройство для ввода дисперсной фазы включает корпус в виде трубы Вентури, состоящий из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, установленное в корпусе соосно с ним сопло, заканчивающееся патрубком ввода дисперсной фазы, и снабжено подводящими патрубками в виде колена, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, причем подводящие патрубки подключены к линии подачи жидкой сплошной фазы, а сопло выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и подключено к линии подачи дисперсной фазы.
Заявляемый аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах позволяет увеличить степень диспергирования дисперсной фазы, увеличить коэффициенты массоотдачи, достичь более продолжительного времени контакта фаз, а в целом позволяет интенсифицировать реакционные и массообменные процессы, что значительно увеличивает эффективность работы аппарата.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.
На фиг.1 представлена схема аппарата для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах, на фиг.2 показан разрез А-А.
Аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах (фиг.1) состоит из устройства 1 для ввода дисперсной фазы (контактного устройства с функцией диспергирования газообразной, жидкой или твердой дисперсной фазы), корпус 2 которого выполнен в виде трубы Вентури, состоящей из цилиндроконического конфузора 3, горловины 4 и диффузора 5, установленное в корпусе 2 соосно с ним сопло 6, герметизированное посредством уплотнения 7 и заканчивающееся патрубком 8 ввода дисперсной фазы. Корпус 2 снабжен подводящими патрубками 9 в виде колена (на фиг.1 показан случай одного патрубка 9), выполненными с возможностью поворота вокруг своей оси. Аппарат содержит также емкость 10, снабженную патрубком 11, соединяющим емкость 10 с циркуляционным насосом 12, к нагнетательному патрубку которого подключен циркуляционный трубопровод 13 для жидкой сплошной фазы. Емкость 10 оборудована патрубком 14 для отвода готового продукта (обработанной жидкости или гетерогенной системы), а также патрубком 15, соединенным с циркуляционным трубопроводом 16 для дисперсной фазы. В случае, если дисперсная фаза тяжелее сплошной патрубок 15 должен быть присоединен к нижней части емкости 10. Регулирующие клапаны 17 и 18 предназначены для регулирования соотношения расходов вновь подаваемой и циркулирующей жидкой сплошной фазы. Регулирующие клапаны 19 и 20 предназначены для регулирования соотношения расходов вновь подаваемой и циркулирующей дисперсной фазы, а регулирующий клапан 21 - для отвода отработанной дисперсной фазы (газообразной или жидкой фазы). Сопло 6 имеет возможность осевого перемещения относительно корпуса 2 благодаря наличию уплотнения 7, допускающего такое перемещение (например, типа сальникового). Патрубки 9 выполнены с возможностью поворота вокруг своей оси благодаря уплотнениям 22 (фиг.2), например, типа сальникового.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. После заполнения емкости 10 включают циркуляционный насос 12 и устанавливают положения регулирующих клапанов 17-21 так, чтобы обеспечить необходимое соотношение вновь подаваемой, отходящей и циркулирующей жидкой сплошной фазы и дисперсной фазы. Жидкая сплошная фаза, поступающая через патрубки 9 в корпус 2, приобретает вращательное движение вокруг оси корпуса 2 с большой скоростью, направленной под углом к оси корпуса 2. По мере движения жидкой сплошной фазы по конфузору 3 к горловине 4 окружная составляющая ее скорости увеличивается. Кроме того, за счет сужающейся формы конфузора 3 в горловине 4 достигает максимума и осевая составляющая скорости. Таким образом, в зоне входа в горловину 4 и осевая, и окружная составляющие скорости жидкости достигают максимальных значений. В соответствии с законом сохранения энергии давление в этой зоне принимает минимальное значение, то есть вблизи конца сопла 6 возникает большое разрежение, степень которого может быть отрегулирована его осевым перемещением относительно корпуса 2. В результате этого вблизи выхода из сопла 6 складываются условия (высокая скорость вращательного и осевого движения, значительное разрежение), способствующие передаче осевого импульса и момента импульса от жидкой сплошной фазы к дисперсной фазе (газообразной, жидкой либо твердой - в виде сухих частиц или суспензии), подаваемой через патрубок 8, вследствие чего возрастает коэффициент инжекции. Дисперсная фаза приобретает мощный импульс от вращающейся жидкой сплошной фазы и интенсивно закручивается в горловине 4, служащей камерой смешения, где образуется тонкодисперсная система жидкость - газ, жидкость - жидкость или жидкость - твердое (в зависимости от вида подаваемой дисперсной фазы).
В системах жидкость-газ и жидкость-жидкость за счет высокоскоростного вихревого течения в горловине ВСА и локализованного вблизи горловины 4 поля высоких касательных напряжений происходит тонкое диспергирование газообразной или жидкой дисперсной фазы. В системе жидкость - твердое происходит дробление агрегатов твердых частиц (комков) при их попадании в зону разрежения и в поле высоких касательных напряжений; в том же поле происходит уменьшение толщины пристенных гидродинамического и диффузионного слоев, что приводит к ускорению процессов массопереноса на поверхности частицы (при растворении и экстрагировании). При попадании в зону разрежения происходит фильтрация газа из пор межчастичного пространства агрегатов, т.е. вакуумирование пор, а при последующем попадании в зону нормального давления жидкость заполняет вакуумированные поры, расклинивая частицы, вследствие чего и происходит разрушение агрегатов.
Образовавшаяся в корпусе 2 закрученная гетерогенная смесь движется далее через диффузор 5, при этом высокая дисперсность дисперсной фазы сохраняется, что способствует протеканию химических реакций, особенно протекающих в диффузионном режиме, и других массообменных процессов. Выходя из диффузора 5, гетерогенная смесь попадает в емкость 10, где продолжается контакт фаз, но уже не столь интенсивно, так как происходит постепенное расслоение фаз. Легкая дисперсная фаза (газообразная или жидкая) через патрубок 15, циркуляционный трубопровод 16 и регулирующий клапан 19 подается в рецикле в патрубок 8, либо отводится через регулирующий клапан 21. Тяжелая дисперсная фаза (например, шлам с нерастворенными частицами) может отводиться через патрубок 15, который в этом случае должен быть расположен в нижней части емкости 10.
Благодаря тому, что осевая скорость в корпусе предлагаемого устройства снижена, а основная доля кинетической энергии приходится на вращательное движение гетерогенной среды, увеличивается время пребывания дисперсной фазы в активной зоне, к которой может быть отнесен объем устройства 1 для ввода дисперсной фазы и область в непосредственной близости от выходного торца диффузора 5.
В системе жидкость - газ пузырьки газа стремятся к оси корпуса 2 за счет центробежного поля, однако за счет кольцевых вихрей, возникающих в корпусе 2 устройства 1, а также турбулентных вихрей, увлекающих пузыри, происходит более равномерное распределение пузырей по объему диффузора и более эффективное их диспергирование.
Аналогичная картина течения наблюдается в системе жидкость - жидкость. Капли легкой (по сравнению со сплошной фазой) диспергированной жидкости ведут себя как пузыри. Капли тяжелой диспергированной жидкости проходят путь от оси диффузора к его стенкам, по пути подвергаясь воздействию мощных вихрей.
В предлагаемом аппарате более эффективно используется кинетическая энергия струи, так как она не рассеивается в большом объеме жидкости в емкости 10, а рассеивается в объеме, ограниченном диффузором, где все еще находится дисперсная фаза, которая еще не успела отделиться от сплошной фазы. Благодаря этому в предлагаемом аппарате можно достичь значительных коэффициентов инжекции, высокой степени диспергирования дисперсной фазы и высокой интенсивности протекания реакционных и массообменных процессов при сравнительно низком давлении (порядка 1,5-2 бар), т.е. для высокоэффективной работы предлагаемого устройства не требуется высоконапорный насос.
Возможность поворота вокруг своей оси патрубков 9 позволяет добиться необходимого соотношения между тангенциальной и осевой составляющими скорости в патрубках 9. Возможность осевого перемещения сопла 6 относительно корпуса позволяет регулировать коэффициент инжекции устройства 1 для ввода дисперсной фазы.
Пример конкретного выполнения 1. Аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах выполнен по схеме, изображенной на фиг.1. Корпус 2 выполнен из стекла с одним подводящим патрубком 9, в который насосом нагнетается вода под давлением 1,5 кгс/см2 (изб.) со скоростью 5 м/с. Поток воздуха подсасывается через патрубок 8. Наблюдения через прозрачную стенку корпуса 2 показали, что в непосредственной близости от торца сопла 6 образуется тонкодисперсная газожидкостная смесь, практически равномерно заполняющая объем горловины и диффузора. Коэффициент инжекции при этом составлял 0,9-1,0, а размер пузырей не превышал 1 мм. Объемный коэффициент массоотдачи при каталитическом окислении сульфита натрия до сульфата натрия достигал 0,2-0,3 с-1.
Таким образом, в предлагаемом аппарате удается эффективно использовать энергию потока жидкости, подаваемой насосом, что приводит к тонкому диспергированию дисперсной фазы и достижению высоких коэффициентов массоотдачи.
Пример конкретного выполнения 2. Аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах выполнен по схеме, изображенной на фиг.1. Корпус 2 выполнен из стекла с одним подводящим патрубком 9, в который насосом нагнетается вода под давлением 2,0 кгс/см2 (изб.) со скоростью 5 м/с. Через патрубок 8 подсасывается моторное масло марки М-8Г. В непосредственной близости от торца сопла 6 образуется тонкодисперсная эмульсия масла в воде, практически равномерно заполняющая объем горловины и диффузора. После попадания эмульсии в емкость 10 и выключения насоса она долго не расслаивалась, что свидетельствует о высокой степени диспергирования масла в воде.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить степень диспергирования дисперсной фазы и коэффициенты массоотдачи, достичь более продолжительного времени контакта фаз и, вследствие этого, повысить эффективность работы аппарата.
Аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов в гетерогенных системах, включающий устройство для ввода дисперсной фазы, емкость, циркуляционный насос, циркуляционные трубопроводы, регулирующие клапаны и штуцеры, отличающийся тем, что устройство для ввода дисперсной фазы включает корпус в виде трубы Вентури, состоящий из цилиндроконического конфузора, горловины и диффузора, установленное в корпусе соосно с ним сопло, заканчивающееся патрубком ввода дисперсной фазы, и снабжено подводящими патрубками, каждый из которых выполнен в виде колена и установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, причем подводящие патрубки подключены к линии подачи жидкой сплошной фазы, а сопло выполнено с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и подключено к линии подачи дисперсной фазы.
