Пульсационный аппарат для проведения массобменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах

Авторы патента:

Изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Аппарат содержит корпус с установленным в нем блоком параллельных каналов с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением, патрубки ввода исходных сред и вывода продукта, блок предварительного смешения и распределения исходных сред, блок непрерывной подачи, блок импульсной подачи, прибор для измерения мгновенной и средней подачи и соединенный с ним контроллер, выходной сигнал с которого управляет параметрами блока непрерывной подачи и блока импульсной подачи, при этом каналы состоят из повторяющихся элементов: конфузор, горловина, диффузор, широкая часть, при этом угол при вершине конфузоров и диффузоров лежит в пределах от 10° до 14°, диаметр горловины выполнен в пределах от 0,4 до 0,8 от диаметра широкой части, а длина горловины выполнена в пределах от 1,5 до 2,5 от диаметра горловины, длина широкой части выполнена в пределах от 0,5 до 1,5 от диаметра широкой части. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности массообменных и реакционных процессов без изменения среднего времени пребывания реагентов в аппарате, а также снижение затрат энергии. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах, в том числе с химическими реакциями и может быть использовано для проведения процессов диспергирования газа в жидкости, одной жидкости в другой (эмульгирования), с сопутствующими реакционными и массообменными процессами, например, для проведения экстракции, газожидкостных реакций, межфазных реакций в системе вода-органические растворители (тонкий органический синтез) в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах (A.N. Phan, A. Harvey, J. Lavender, Characterisation of fluid mixing in novel designs of mesoscale oscillatory baffled reactors operating at low flow rates (0.3-0.6 ml/min) // Chemical Engineering and Processing, 50 (2011) 254-263), содержащий цилиндрический корпус диаметром 5 мм и высотой 340 мм с присоединенными к нему 39 кольцевыми диафрагмами с внутренним диаметром 2,5 мм и толщиной 3 мм, размещенных с постоянным шагом 7,5 мм (первый вариант исполнения), либо с вставленным в него штоком диаметром 2 мм, на котором закреплены 32 перегородки в форме шестиугольников с размером между противоположными вершинами 4 мм и толщиной 1,5 мм, размещенных с постоянным шагом 7,5 мм (второй вариант исполнения). К нижней части аппарат присоединен насос, обеспечивающий постоянный расход жидкости из питающей емкости, а также пульсационное устройство, обеспечивающее переменное во времени движение жидкости в аппарате. В верхней части аппарата предусмотрен сливной патрубок, из которого готовый продукт сливается в приемную емкость. Пульсационное устройство совершает пульсации с заданной частотой. Устройство позволяет эффективно проводить процессы смешения и диспергирования.

Недостатками известного аппарата являются: чрезмерные затраты энергии при образовании вихрей (вторичных токов) в зоне за диафрагмами, в этих аппаратах из-за наличия вторичных токов значительно увеличивается максимальное время пребывания по сравнению со средним значением; в результате снижается селективность реакций и выход.

Известен аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах (N. Reis, А.Р. Harvey, M.R. Mackley, А.А. Vicente, J.A. Teixeira, Fluid mechanisms and design aspects of a novel oscillatory flow screening mesoreactor, Chemical Engineering Research and Design 83 (2005) 357-371), корпус которого выполнен в виде трубы длиной 350 мм с периодической структурой диаметром 4,4 мм в широкой части, включающей сужения с диаметром горловины 1,6 мм, расстоянием между соседними горловинами 13 мм, плавными диффузорами и конфузорами конической формы, соединяющими широкие части и горловины с углом при вершине около 90°. К нижней части аппарата присоединен насос, обеспечивающий постоянный расход жидкости из питающей емкости, а также пульсационное устройство, обеспечивающее переменное во времени движение жидкости в аппарате. В верхней части аппарата предусмотрен сливной патрубок, из которого готовый продукт сливается в приемную емкость. Пульсационное устройство совершает пульсации с частотой от 1,1 Гц до 20,1 Гц и амплитудой от 0,2 мм до 11 мм (амплитуда определялась по уровню жидкости на участке трубки диаметром 2,0 мм).

Недостатками известного аппарата являются: образование вихрей при расширении потока из горловины в широкую часть аппарата, и при входе в горловину, а также по объему широкой части (как показано в работе N. Reis, А.Р. Harvey, M.R. Mackley, А.А. Vicente, J.A. Teixeira, Fluid mechanisms and design aspects of a novel oscillatory flow screening mesoreactor, Chemical Engineering Research and Design 83 (2005) 357-371), что приводит к расширению распределения времени пребывания. Это, в свою очередь, влечет за собой снижение селективности реакций и выхода. Кроме того, в результате образования вихрей возрастают потери давления и затраты энергии на перемещение жидкости.

Известен аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах (J.R. McDonough, M.F. Oates, R. Law, А.Р. Harvey, Micromixing in oscillatory baffled flows. Chemical Engineering Journal 361 (2019) 508-518) - корпус которого выполнен в виде трубы длиной 350 мм с периодической структурой диаметром 5,0 мм в широкой части, включающей сужения с диаметром горловины 2,5 мм, расстоянием между соседними горловинами 7,5 мм, плавными диффузорами и конфузорами конической формы, соединяющими широкие части и горловины с углом при вершине около 90°.

К недостаткам известного изобретения относятся следующие. Геометрия аппарата, далекая от оптимальной - при расширении потока в диффузорах с углом при вершине около 90° формируются вторичные токи, в которых значительно увеличивается время пребывания по сравнению со средним значением; в результате снижается селективность реакций и выход. Из-за слишком больших углов при вершине диффузоров и конфузоров (около 90°) возрастают потери давления, увеличиваются энергетические затраты.

Наиболее близким к заявляемому изобретению являются способ проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах и аппарат для его реализации (прототип) (патент РФ №2342990, МПК B01J 19/32, Б.И. №1, 2009 г.). Известный способ заключается в подаче исходной смеси в каналы, расположенные параллельно друг другу, с образованием частиц дисперсной среды - капель или пузырей, отделенных друг от друга жидкостными снарядами сплошной среды, отличающийся тем, что используют каналы, выполненные с периодически изменяющимся поперечным сечением, а дисперсную среду подают непосредственно в каждый из параллельных каналов, при этом сплошную среду подают непрерывно, а дисперсную среду подают в виде периодически повторяющихся импульсов, задавая продолжительность подачи дисперсной среды согласно расчетной формуле, или сплошную среду и дисперсную среду подают в виде периодически повторяющихся импульсов, причем в момент уменьшения подачи сплошной среды начинают подачу дисперсной среды, а в момент уменьшения подачи дисперсной среды начинают подачу сплошной среды, задавая продолжительность подачи сплошной среды согласно другой расчетной формуле. Известный аппарат для реализации способа содержит корпус с установленным в нем блоком параллельных каналов, устройство для диспергирования дисперсной среды, устройство для непрерывной или импульсной подачи жидких и газообразных компонентов, при этом, согласно изобретению, блок параллельных каналов выполнен из трубок, соединенных друг с другом на концах или вдоль всей боковой поверхности, причем внутреннее пространство трубок имеет периодически изменяющееся поперечное сечение.

Известное изобретение позволяет повысить эффективность массообменных и реакционных процессов, а также надежность и эффективность работы аппарата, главным образом, за счет увеличения равномерности распределения элементов дисперсной среды - капель, пузырей - по сечению аппарата, за счет улучшения процесса диспергирования и расширения диапазона скоростей сред, при которых осуществляется снарядный режим течения. Известное изобретение предназначено для проведения процессов в двухфазных системах жидкость-жидкость, жидкость-газ, причем именно в снарядном режиме течения двухфазной среды.

К недостаткам известного изобретения относятся его применимость исключительно к двухфазным системам жидкость-жидкость, жидкость-газ, причем именно в снарядном режиме течения двухфазной среды.

При этом, хотя в нем и предусмотрена подача дисперсной среды в виде периодически повторяющихся импульсов так, чтобы в одной фазе подачи мгновенная подача дисперсной среды была положительная, в другой фазе мгновенная подача дисперсной среды была отрицательная, а среднее за период значение подачи дисперсной среды было положительно, мгновенная подача сплошной фазы с отрицательными значениями не предусмотрена.

Это не позволяет использовать известное изобретение для осуществления реакций, имеющих высокую продолжительность.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности массообменных и реакционных процессов, повышение выхода реакций, а также снижения затрат энергии:

1) за счет обеспечения возможности увеличения интенсивности массообменных процессов без изменения среднего времени пребывания реагентов в аппарате;

2) за счет снижения потерь давления за счет оптимальной геометрии аппарата;

3) благодаря ликвидации застойных (мертвых) зон сужается кривая времени пребывания, что приводит увеличению селективности реакций и возрастанию выхода.

Поставленная задача решается тем, что аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах содержит корпус с установленным в нем блоком параллельных каналов с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением, патрубки ввода исходных сред и вывода продукта, при этом, согласно изобретению, аппарат содержит блок предварительного смешения и распределения исходных сред, блок непрерывной подачи, блок импульсной подачи, прибор для измерения мгновенной и средней подачи и соединенный с ним контроллер, выходной сигнал с которого управляет параметрами блока непрерывной подачи и блока импульсной подачи, при каналы с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением состоят из повторяющихся элементов, каждый из которых содержит конфузор, горловину, диффузор, широкую часть, при этом угол при вершине конфузоров и диффузоров лежит в пределах от 10° до 14°, диаметр горловины выполнен в пределах от 0,4 до 0,8 от диаметра широкой части, а длина горловины выполнена в пределах от 1,5 до 2,5 от диаметра горловины, длина широкой части выполнена в пределах от 0,5 до 1,5 от диаметра широкой части.

Форма конфузоров и диффузоров преимущественно симметричная относительно плоскости, нормальной к оси потока, расположенной посередине между ними, т.е. при движении потока вперед и назад изменение формы каналов вдоль оси одинаково. Возможны также другие варианты конфузоров и диффузоров с переходами, как, например, в книге (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга.- 3-е изд., перераб. и доп. - М.; Машиностроение, 1992, с. 164-165).

В предлагаемом изобретении благодаря оптимальной геометрии каналов снижаются потери давления и затраты энергии; благодаря тому, что линии тока замкнутые, отсутствуют вторичные токи (вихри), характерные для обтекания диафрагм и конфузоров с крутыми углами, что приводит к сужению кривой времени пребывания в предлагаемом устройстве. В результате увеличивается селективность реакций, возрастает выход.

Таким образом, заявляемый аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах позволяет одновременно повысить эффективность массообменных и реакционных процессов, повысить выход реакций, а также снизить затраты энергии.

Это достигается за счет следующих факторов:

• оптимизации геометрии каналов;

• увеличения равномерности распределения элементов дисперсной среды - капель, пузырей - по сечению аппарата, т.е. по каналам, расположенным параллельно друг другу;

• улучшения процесса диспергирования капель, пузырей (поскольку происходит стабилизация размеров при слиянии мелких и разбивании крупных, а при дозированной подаче сразу формируются капли и пузыри с необходимыми размерами);

• достижения более продолжительного времени пребывания дисперсной среды в аппарате;

• наличия системы контроля и управления ключевыми параметрами процесса.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

На фиг. 1 представлена общая принципиальная схема аппарата для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 - фрагмент канала, содержащий по два конфузора и диффузора, на фиг. 3 - временные диаграммы подачи в аппарат дисперсной и сплошной сред (а), а также импульсной (пульсационной) подачи (расхода) (б). На фиг. 4 показан пример исполнения блока параллельных каналов с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением.

На фиг. 1 изображен аппарат, содержащий корпус 1 с установленным в нем блоком 2 параллельных каналов с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением, патрубки 3, 4 ввода исходных сред и 5 вывода продукта. Аппарат содержит блок 6 предварительного смешения и распределения исходных сред, блок 7 непрерывной подачи, включающий насосы 8 и 9, блок 10 импульсной подачи, прибор 11 для измерения мгновенной и средней подачи и соединенный с ним контроллер 12, выходной сигнал с которого управляет параметрами блока 7 непрерывной подачи и блока 10 импульсной подачи. Блок 10 импульсной подачи включает привод 13 возвратно-поступательного движения, цилиндр 14 с поршнем 15.

При этом каналы 16 с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением состоят из повторяющихся вдоль их длины элементов, причем каждый из элементов содержит конфузор 17, горловину 18, диффузор 19, широкую часть 20, при этом угол при вершине конфузоров 17 и диффузоров 19 лежит в пределах от 10° до 14°. Указанный диапазон значений углов обеспечивает минимальное гидравлическое сопротивление каналов (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.; Машиностроение, 1992). Угол при вершине конфузоров 17 и диффузоров 19 предпочтительно выполнен одинаковым.

Диаметр d горловины 18 выполнен в пределах от 0,4 до 0,8 от диаметра D широкой части 20, а длина горловины L_d выполнена в пределах от 1,5 до 2,5 от диаметра горловины d, длина широкой части L_D выполнена в пределах от 0,5 до 1,5 от диаметра D широкой части. Указанные соотношения обеспечивают, как следует из анализа данных раздельно для конфузоров и диффузоров (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.; Машиностроение, 1992). При выполнении диаметра горловины d менее 0,4D возрастает ее гидравлическое сопротивление, тогда как выполнение диаметра горловины d более 0,8D ведет к снижению эффекта продольных пульсаций. При выполнении более короткой горловины в ней не успевают произойти процессы перемешивания и диспергирования, а при выполнении чрезмерно длинной горловины возрастает гидравлическое сопротивление. Аналогичные закономерности относятся и к широкой части.

На фиг. 3 изображены временные диаграммы непрерывной подачи в аппарат дисперсной и сплошной сред (фиг. 3а) при помощи блока 7 непрерывной подачи и диаграмма импульсной подачи при помощи блока 10 импульсной подачи (фиг. 3б). Из диаграмм видно, что

На фиг. 4 показан пример выполнения блока 2 параллельных каналов 16 с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением: каналы 16 размещены внутри корпуса 1. Внутрь корпуса 1 (в межтрубное пространство, охватывающее наружную поверхность каналов) через патрубки 21 и 22 может подаваться теплоноситель для отвода или подвода теплоты. При необходимости внутри корпуса могут быть установлены перегородки, аналогично тому, как это принято для кожухотрубных теплообменников. Блок 6 предварительного смешения и распределения исходных сред включает распределительную камеру 23 для подачи дисперсной фазы с трубочками 24, соединяющими камеру 23 с устьем каждого из каналов 16 (диаметр трубочек 24 меньше диаметра 18 горловины каналов 16), и распределительную камеру 25 для подачи сплошной фазы. На выходе каналы объединены распределительной камерой 26, в которую попадает готовый продукт. К распределительным камерам 23, 25 и 26 присоединены патрубки 27, 28 и 29.

Предлагаемый аппарат работает следующим образом.

В аппарат через патрубки 3 и 4 при помощи насосов 8 и 9 подают исходные среды, при этом их мгновенные расходы характеризуются диаграммой, показанной на фиг. 3а. В общем случае число исходных сред может быть более двух; очередность подачи определяется условиями их растворимости, наличием химических реакций и т.д. Одновременно с включением насосов 8 и 9 запускают блок 10 импульсной подачи с заданной амплитудой и частотой колебаний. Амплитуду и частоту колебаний определяют экспериментально, либо оценивают, используя опубликованные данные об оптимальных режимах работы пульсационных аппаратов.

Из распределительной камеры 25 в каналы 16 подается сплошная фаза. Поступающая в распределительную камеру 23 дисперсная фаза через трубочки 24 под давлением перетекает в устье каждого из каналов 16, где и происходит предварительное смешение сплошной и дисперсной фаз. В случае взаимно нерастворимых фаз образуется эмульсия, которая при дальнейшем движении вдоль каналов 16 дробится с образованием более мелкодисперсных капель/пузырей. В случае взаимно растворимых фаз образуется смесь, которая при дальнейшем движении вдоль каналов 16 интенсивно перемешивается. Кроме того, благодаря наличию межтрубного пространства, в которое подается теплоноситель, в каналах поддерживается заданная температура процесса.

При включении привода 13 возвратно-поступательного движения (в составе блока 10 импульсной подачи) благодаря пульсациям цилиндр 14 с поршнем 15 в каналах возникает возвратно-поступательное движение, описываемое диаграммой мгновенного расхода, показанной на фиг. 3б. Амплитуда возвратно-поступательного движения, т.е. импульсного расхода как правило, превышает направленное движение, т.е. max(q_имп)>>q_c, max(q_имп)>>q_д. Благодаря этому достигается необходимое сочетание среднего времени пребывания (которое определяется суммой расходов q_c+q_д) с интенсивностью перемешивания (которое определяется максимальным и средним значением импульсной (пульсационной) подачи (расхода) q_имп и другими параметрами, производными от q_имп).

Среднее время пребывания определяется по расчетной формуле

где V - суммарный объем каналов 16, м³; q_c - расход сплошной фазы, м³/с; q_д - расход дисперсной фазы, м³/с.

Интенсивность перемешивания определяется максимальной скоростью в горловине 18 каналов 16, которая рассчитывается по формуле:

где max(q_имп) - максимальный мгновенный расход, обусловленный возвратно-поступательным движением поршня 15 в цилиндре 14, м³/с; S - площадь поперечного сечения канала 16 в области горловины 18, м².

Кроме того, интенсивность колебаний характеризуется следующими характеристиками:

- пульсационное число Рейнольдса

где ρ - плотность смеси, кг/м³; μ - вязкость смеси, Па с.

В пульсационное число Рейнольдса входит амплитуда скорости пульсаций A_w

где ƒ - частота пульсаций, Гц; А_х - линейная амплитуда пульсаций в зоне горловины, м.

Поступательное движение смеси (непрерывная подача) как при наличии пульсаций, так и при их отсутствии характеризуется поступательным числом Рейнольдса

Как следует из сопоставления формул (3) и (5), с учетом того, что max(q_имн)>>q_с+q_д, Re_osc ? Re_n. Таким образом, условия перемешивания, определяемые числами Рейнольдса, для обычного поступательного движения существенно хуже, чем в предлагаемом аппарате. Аналогичным образом средняя скорость диссипации энергии 8, которая пропорциональна скорости в горловине в третьей степени, в предлагаемом аппарате тоже будет существенно выше, чем в известных аналогах.

Кроме того, в предлагаемом аппарате появляется дополнительная степень свободы - значение пульсационной скорости (амплитуды скорости пульсаций A_w), что позволяет более гибко и независимо варьировать два важнейших параметра - среднее время пребывания и интенсивность перемешивания.

В отличие от известных аппаратов, в предлагаемом устройстве, благодаря хорошо обтекаемой форме каналов, снижаются затраты энергии, а из-за отсутствия вторичных токов значительно сужается распределение времени пребывания. В результате возрастает селективность реакций и выход. За счет увеличения равномерности распределения элементов дисперсной среды по сечению аппарата обеспечивается полнота использования объема аппарата, так как благодаря системе распределения фаз по всем каналам предотвращается «проскок» обрабатываемых сред через некоторую часть каналов, то есть полноценно работают все каналы. Благодаря наличию системы контроля и управления ключевыми параметрами процесса, включающей прибор 11 для измерения мгновенной и средней подачи и соединенный с ним контроллер 12, реализуется непрерывный контроль за параметрами процесса и достижение оптимальных условий работы аппарата.

Коренным отличием от прототипа является то, что в прототипе каждую из сред - сплошную и дисперсную - подают в виде периодически повторяющихся импульсов, тогда как в предлагаемом устройстве обе фазы (или оба исходных раствора) подают непрерывно, а импульсное воздействие создается в аппарате за счет блока импульсной подачи. При этом амплитуда пульсации совершенно не зависит от расходов, с которыми подаются исходные среды. По этой причине использование прототипа для проведения массообменных и реакционных процессов, требующих повышенного времени пребывания в аппарате при интенсивном перемешивании, не позволяет достичь желаемого результата, тогда как предлагаемое устройство обеспечивает довольно высокие значения времени пребывания в аппарате (за счет умеренных и низких расходов исходных компонентов) при высокой интенсивности перемешивания, достигаемой благодаря высокой амплитуде и частоте пульсаций. Другими словами, выполнение условия Re_osc ? Re_n довольно легко осуществляется в предлагаемом устройстве, и не может быть достигнуто в устройстве-прототипе. Кроме того, в отличие от прототипа в предлагаемом аппарате импульсы знакопеременные (фиг. 3).

Пример конкретного выполнения 1 (известное устройство). Пульсационный аппарат выполнен по схеме, представленной в (J.R. McDonough, M.F. Oates, R. Law, А.Р. Harvey, Micromixing in oscillatory baffled flows. Chemical Engineering Journal 361 (2019) 508-518). Корпус аппарата выполнен в виде трубы длиной 350 мм с периодической структурой диаметром 5,0 мм в широкой части, включающей сужения с диаметром горловины 2,5 мм, расстоянием между соседними горловинами 7,5 мм, плавными диффузорами и конфузорами конической формы, соединяющими широкие части и горловины с углом при вершине около 90°.

Для определения эффективности микроперемешивания используют время микросмешения. С этой целью в аппарате проводят модельный процесс - две параллельные конкурирующие реакции в соответствии с иодид-йодатной методикой (Commenge J.-M., Falk L. Villermaux-Dushman protocol for experimental characterization of micromixers // Chemical Engineering and Processing 50 (2011) 979-990): первая из них - реакция нейтрализации (практически мгновенная), вторая - окислительно-восстановительная. В обеих реакциях участвует серная кислота (ион водорода FT), и при высоком уровне микроперемешивания вся кислота участвует в процессе нейтрализации, молекулы йода при этом не образуются, так как на вторую реакцию недостаточно ионов водорода. При низком уровне микроперемешивания образуются молекулы йода I₂, которые затем приводят к образованию ионов I₃^-, концентрация которых легко определяется на УФ-видимом спектрофотометре на длине волны 353 нм. Таким образом, концентрация ионов I₃^- является индикатором качества микросмешения в реакторах.

В ходе экспериментов поступательное число Рейнольдса Re_n, определяемое по непрерывной подаче (формула (5)), составляло от 5 до 40. Пульсационное число Рейнольдса Re_osc задавалось от 30 до 250. Время микросмешения, определенное по иодид-йодатной методике, составляло от 0,1 до 3 с (J.R. McDonough, M.F. Oates, R. Law, А.Р. Harvey, Micromixing in oscillatory baffled flows. Chemical Engineering Journal 361 (2019) 508-518), при этом время микросмешения уменьшалось с увеличением значения Re_osc. Однако при этом с увеличением значения пульсационного числа Рейнольдса квадратично возрастали потери энергии.

При поступательном числе Рейнольдса Re_n=40 скорость в узком сечении составила 0,032 м/с, а среднее время пребывания 43 с. Удельная скорость диссипации энергии при этом оказалась равна 0.017 Вт/кг. Время микросмешения при этом составляло от 0,07 до 3,17 с (меньшие значения соответствуют более высоким значениям пульсационным числам Рейнольдса).

Пример конкретного выполнения 2 (предлагаемое устройство).

Пульсационный аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах выполнен по схемам, изображенным на фиг. 1 и фиг. 4. Аппарат содержит 64 параллельных канала 16.

Эффективность микроперемешивания в аппарате определялась также по иодид-йодатной методике.

Размеры каналов выполнены в соответствии с предлагаемым изобретением: диаметр горловины d составляет 4 мм, диаметр широкой части D составляет 8 мм, угол при вершине конфузоров и диффузоров составляет 12°, длина горловины L_d составляет 10 мм, а длина широкой части выполнена с длиной L_D, равной 6 мм,. В аппарат через патрубки 3 и 4 при помощи насосов 8 и 9 подают исходные среды - раствор серной кислоты и смесь растворов борной кислоты, едкого натра, KI и KIO₃ в необходимых концентрациях (Commenge J.-M., Falk L. Villermaux-Dushman protocol for experimental characterization of micromixers // Chemical Engineering and Processing 50 (2011) 979-990).

Общая длина каналов составляет 541 мм, объем одного канала 15 мл, общий рабочий объем аппарата V=0,988 л. При производительности аппарата 11,85 л/мин среднее время пребывания составляет 5 с. Значения пульсационного числа Рейнольдса и поступательного числа Рейнольдса задавались такими же, как и для аппарата, выполненного по известному изобретению.

Исследования показали, что при равном полезном эффекте - времени микросмешения, затраты энергии в предлагаемом аппарате существенно ниже. Например, при поступательном числе Рейнольдса Re_n=40 скорость в узком сечении составила 0,02 м/с, а среднее время пребывания 39 с (примерно равно времени пребывания в известном аппарате, что обеспечивает равные условия микросмешения, необходимые для проведения реакций). Удельная скорость диссипации энергии на поступательное движение при этом составила 0.0011 Вт/кг, т.е. в 14,9 раз меньше, чем в аппарате-прототипе. Такое же соотношение затрат энергии имело место и для пульсационного движения. Таким образом, предлагаемый аппарат потребляет существенно меньше энергии на единицу массы обрабатываемой среды по сравнению с известным аппаратом. Повышенное сопротивление известного аппарата, как известно из теоретической и прикладной гидромеханики, обусловлено наличием вторичных токов, возникающих за плохо обтекаемыми элементами аппарата.

Время микросмешения при этом составляло от 0,04 до 2,14 с (меньшие значения соответствуют более высоким значениям пульсационным числам Рейнольдса). Таким образом, качество микросмешения оказалось выше в 1,5-1,7 раза (чем меньше время микросмешения, тем выше качество микросмешения). Выход борной кислоты при этом возрос по сравнению с известным аппаратом.

Пример конкретного выполнения 3 (предлагаемое устройство). Пульсационный аппарат, описанный в примере 2, был использован для проведения процессов диспергирования (эмульгирования) масла в воде. Эксперименты показали, что максимальный размер образующихся капель масла составляет 35 мкм. Эксперимент в известном аппарате, описанном в примере 1, показал, что размер капель масла составил 85 мкм, т.е. в 2,4 раза крупнее. Таким образом, удельная поверхность контакта фаз в двухфазной среде в известном аппарате оказалась в 2,4 раза ниже, чем в предлагаемом аппарате.

При увеличении частоты (от 0 до 10 Гц) и амплитуды пульсаций (от 1 мм до 8 мм) возрастало пульсационное число Рейнольдса, что приводило к уменьшению размеров капель и увеличению скорости массопереноса. Так, при амплитуде пульсаций 6 мм и частоте 4 Гц скорость массопереноса возрастала в 2,2 раза, а при амплитуде пульсаций 6 мм и частоте 10 Гц - в 3,7 раза. При этом среднее время пребывания не изменялось. Этим подтверждается возможность увеличения интенсивности массообменных процессов без изменения среднего времени пребывания реагентов в аппарате.

Эксперименты показали, что изменение линейных и угловых размеров по отношению к указанных в формуле изобретения, приводит к некоторому снижению эффективности аппарата по сравнению с оптимальными значениями.

Таким образом, предлагаемый аппарат позволяет повышать эффективность массообменных и реакционных процессов, повышать выход реакций, а также снижать затраты энергии:

2) за счет снижения потерь давления за счет оптимальной геометрии аппарата;

Пульсационный аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах, содержащий корпус с установленным в нем блоком параллельных каналов с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением, патрубки ввода исходных сред и вывода продукта, отличающийся тем, что аппарат содержит блок предварительного смешения и распределения исходных сред, блок непрерывной подачи, блок импульсной подачи, прибор для измерения мгновенной и средней подачи и соединенный с ним контроллер, выходной сигнал с которого управляет параметрами блока непрерывной подачи и блока импульсной подачи, при этом каналы с периодически изменяющимся вдоль их оси поперечным сечением состоят из повторяющихся элементов, каждый из которых содержит конфузор, горловину, диффузор, широкую часть, при этом угол при вершине конфузоров и диффузоров лежит в пределах от 10° до 14°, диаметр горловины выполнен в пределах от 0,4 до 0,8 от диаметра широкой части, а длина горловины выполнена в пределах от 1,5 до 2,5 от диаметра горловины, длина широкой части выполнена в пределах от 0,5 до 1,5 от диаметра широкой части.

Похожие патенты: