УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ РЕАКЦИОННЫХ И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к устройствам для интенсификации реакционных и массообменных процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, биотехнологической, фармацевтической и других отраслях промышленности в таких технологических процессах, как абсорбция, газожидкостные реакции, эмульгирование, жидкостная экстракция, растворение твердых частиц и т.п.
Известны устройства для интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных средах (Карпачева С.М., Захаров Е.И. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов. - М.: Атомиздат, 1980. - С.4), принцип действия которых заключается в генерировании пульсаций - возвратно-поступательного движения объема реагентов в реакторе с постоянной частотой колебаний.
Недостатком таких устройств является то, что возбуждаемые колебания постоянной частоты совпадают с собственной частотой колебаний дисперсных включений лишь определенных размеров, а так как в обрабатываемом объеме присутствуют дисперсные включения других размеров, имеющие резонансные частоты, не совпадающие с частотой возбуждаемых колебаний, то энергия, затрачиваемая на возвратно-поступательное движение объема реагентов используется недостаточно эффективно.
Известно устройство для интенсификации реакционных и массообменных процессов, реализованное в устройстве для экстракции пектиновых веществ, содержащем вибропривод, экстракционную камеру и рабочий орган, состоящий из штока с укрепленными на нем перфорированными дисками с отверстиями конической формы, отличающееся тем, что, рабочий орган жестко связан с вибрирующей рамой, упруго связанной с корпусом, а между корпусом и вибрирующей рамой установлены с возможностью регулирования зазора между ними упругие ограничители, выполненные в виде выпуклой полусферы(см. патент на полезную модель №94971, БИ №16, 2010).
При работе устройства возникает вертикальное виброударное движение рамы, а рабочий орган совершает возвратно-поступательное движение. За счет наличия в дисках конических отверстий обрабатываемой смеси сообщается турбулентное движение, при этом происходит интенсификация обменных процессов на границах раздела фаз и равномерное распределение смеси по рабочему объему реактора, что в конечном итоге повышает степень извлечения полезных веществ. Возможность создания виброударных режимов позволяет создать довольно широкий диапазон вибрационного воздействия, имеющий резонансные частоты, совпадающие с резонансными частотами дисперсных включений разных размеров.
Недостатком данного устройства является то, что его нельзя использовать для некоторых технологических режимов, таких как эмульгирование, перемешивание, растворение, требующих большого удельного энергопотребления, что сужает диапазон применения данного устройства.
Задача полезной модели - интенсификация реакционных и массообменных процессов за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии.
Поставленная задача достигается тем, что известное устройство для интенсификации реакционных и массообменных процессов, включающее в себя вибропривод, рабочую камеру и рабочий орган, состоящий из штока с укрепленными на нем перфорированными дисками с отверстиями конической формы, а рабочий орган жестко связан с вибрирующей рамой, упруго связанной с корпусом, а между корпусом и вибрирующей рамой установлены с возможностью регулирования зазора между ними упругие ограничители, выполненные в виде выпуклой полусферы, дополнительно содержит модуль для возбуждения ультразвуковых колебаний, состоящий из четырех ультразвуковых генераторов с пьезокерамическими преобразователями и излучающими пластинами, причем преобразователи установлены на наружной боковой поверхности корпуса, а излучающие пластины установлены на внутренней боковой поверхности корпуса.
Отличительные признаки в заявляемом техническом решении не выявлены при изучении данной и смежных областей техники.
Совокупность заявляемых признаков обеспечивает достижение задачи полезной модели - интенсификация реакционных и массообменных процессов за счет повышения эффективности использования вводимой в гетерогенную среду энергии
На фиг. показан общий вид устройства.
Устройство состоит из рабочей камеры 1, на которой установлен корпус 2, в котором установлена на пружинах 3, регулируемых гайками 4, вибрирующая рама 5. Рама 5 жестко связана с рабочим органом 6, на котором закреплены перфорированные диски 7 с отверстиями конической формы. Рама 5 снабжена возбудителем колебаний 8. На корпусе 2 установлены направляющие 9 и кронштейн 10 с верхними и нижними ограничителями, на которых установлены регуляторы зазора 11 и упругие ограничители 12. На боковых поверхностях рабочей камеры 1 неподвижно установлен модуль для возбуждения ультразвуковых колебаний, состоящий из четырех ультразвуковых генераторов (на фиг. не показаны) с пьезокерамическими преобразователями 13, 14, 15 и 16 и излучающими пластинами 17, 18, 19 и 20, причем преобразователи установлены неподвижно на наружной поверхности рабочей камеры 1, а излучающие пластины закреплены неподвижно на внутренней поверхности рабочей камеры 1. Модуль электрически связан с системой питания 21.
Устройство работает следующим образом. В рабочую камеру 1 подают рабочую смесь. Включают привод 8 возбудителя колебаний. Возникает вертикальное колебательное движение рамы 5, причем ее амплитуда увеличивается до значений, равных величине зазора между рамой 5 и упругими ограничителями 12. В результате этого при достижении амплитуды, равной зазору, рама 5 совершает виброударные колебания, а рабочий орган 6 совершает возвратно-поступательное движение. За счет наличия в дисках 7 конических отверстий рабочей смеси сообщается турбулентное движение, при этом происходит интенсификация обменных процессов на границах раздела фаз и равномерное распределение смеси по рабочему объему камеры 1. Одновременно с этим на пьезокерамические генераторы подается напряжение от системы питания 21 и происходит излучение ультразвуковой энергии от излучающих пластин 17-20 в обрабатываемый раствор.
Так как одновременно с наложением вибрации, происходит излучение ультразвуковой энергии от излучающих пластин, установленных на внутренней поверхности реактора в рабочий раствор, при этом в звуковой акустической волне образуются кавитационные пузырьки, при захлопывании которых выделяется значительное количество энергии, а за счет резонанса амплитуда колебаний дисперсных включений резко усиливается, происходит дробление дисперсной фазы (пузырьков, капель), увеличиваются коэффициенты массообмена, ускоряются диффузионные процессы в гетерогенных химических реакциях. Все это приводит к интенсификации реакционных и массообменных процессов и повышению выхода целевого продукта.