ВАКУУМ-КРИСТАЛЛИЗАТОР

Настоящая полезная модель относится к конструкциям циркуляционных вакуум-кристаллизаторов, применяемых для выделения кристаллов солей из растворов и отделения целевого продукта от сопутствующих компонентов.
Полезная модель может быть использована в цветной металлургии, химической, пищевой, фармацевтической отраслях промышленности, в производстве строительных материалов.
При разработке оборудования для практической реализации кристаллизации в промышленном производстве постоянно возникают проблемы выбора рациональной конструкции кристаллизатора и его работоспособности с одновременным обеспечением получения качественного продукта потребления.
Для получения продукта заданной крупности, чистоты и однородности применяют кристаллизаторы, позволяющие проводить процесс в «мягких» гидравлических условиях при низком пересыщении, создаваемом самоиспарением горячего раствора под вакуумом. В таких вакуум-кристаллизаторах кристаллизация осуществляется при интенсивной циркуляции смеси горячего исходного (питающего) раствора, охлажденного маточного раствора и суспензии, в результате чего температура смеси повышается всего лишь на несколько градусов (или даже десятых долей градуса), а кристаллы подрастают до необходимого размера.
Наиболее оптимальным вариантом для проведения кристаллизации в указанных выше условиях и получения продукта заданного качества являются циркуляционные вакуум-кристаллизаторы с раздельным отводом суспензии и маточного раствора. Однако и известные из уровня техники вакуум-кристаллизаторы не всегда обеспечивают оптимальные условия процесса кристаллизации. Особенно это важно, когда в аппарате присутствует и взаимодействуют несколько жидких сред, отличающихся и по физическому, и по химическому составу, а потому возникает проблема обеспечения рационального распределения их в аппарате. Соблюдение этого условия повышает качество получаемого продукта и технике - экономические характеристики используемого вакуум-кристаллизатора..
Рассмотрим известные аналогичные по назначению и конструкции технические решения и проанализируем их возможности по решению указанной задачи.
Известен вакуум-кристаллизатор (см. авторское свидетельство СССР №611635, кл. В01D 9/00,1976), содержащий корпусе центральной трубой и внутренней перегородкой, образующей отстойную камеру, наружный контур циркуляции маточного раствора с циркуляционным и струйным насосами, при этом отстойная камера корпуса снабжена распределителем ввода конденсата или пара, а наружный контур циркуляции снабжен установленным между отстойной камерой и циркуляционным насосом сосудом с концентрически расположенной в нем трубой, верхний конец которой соединен с отстойной камерой, а верхняя часть сосуда соединена сливной трубой с циркуляционным насосом. Благодаря такой конструкции вакуум-кристаллизатора действительно решается задача получения более крупных кристаллов. Но для решения указанной выше технической задачи, известный вакуум-кристаллизатор непригоден. Снабжение отстойной камеры корпуса распределителем ввода конденсата или пара, а также снабжение наружного контура сосудом, установленным между отстойной камерой и циркуляционным насосом, обеспечивают не только растворение мелких кристаллов, при этом удлиняется время кристаллизации и снижается производительность аппарата.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому аппарату является известный вакуум-кристаллизатор (см. авт. свид. СССР №685303, кл. B01D 9/02, 1972), включающий отстойные камеры, расположенные одна над другой и образованные внутренней стенкой корпуса и цилиндрическими вставками, закрепленными к корпусу своей верхней конической поверхностью, штуцеры для отвода осветленного маточного раствора, расположенные в верхней части цилиндроконических вставок, при этом он снабжен кольцевыми переливными карманами, расположенными в верхней части отстойных камер, и штуцерами ввода нейтрального газа, расположенными на корпусе аппарата над карманами. В соответствии с чертежом известного аппарата внутри корпуса расположена центральная труба, и аппарат снабжен переливным бачком, полость которого сообщена с отстойными камерами трубами отвода маточного раствора.
Данный вакуум кристаллизатор принят в качестве прототипа заявляемого вакуум-кристаллизатора.
Не вызывает сомнений достижение в известном решении технического результата - «обеспечения равномерного распределения скоростей потока осветляемой суспензии в отстойных камерах.»
Однако в данном вакуум-кристаллизаторе не предусмотрено конструктивных элементов для обеспечения рационального распределения потоков жидких сред, участвующих в процессе кристаллизации, а значит отсутствуют стабилизация уровня их и концентрации кристаллов в аппарате.
Указанные недостатки отсутствуют в заявляемом вакуум-кристаллизаторе, так как в совокупности существенных признаков его присутствуют только те конструктивные элементы, которые необходимы и при этом достаточны для достижения рационального распределения потоков жидких сред, особенно суспензии и маточного раствора.
Предлагаемый для патентной экспертизы вакуум-кристаллизатор, как и прототип, содержит расположенные внутри вертикального корпуса циркуляционную трубу, цилиндроконические вставки, образующие с внутренней стенкой корпуса отстойные камеры, и переливной бачок, полость которого сообщена с отстойными камерами трубами отвода маточного раствора.
Отличается заявляемый вакуум-кристаллизатор тем, что он снабжен дополнительным переливным бачком, сообщенным с основным переливным бачком и соединенным трубами с верхом и низом корпуса, при этом верхние концы циркуляционной трубы и трубы, соединяющей дополнительный переливной бачок с низом корпуса, расположены на одном уровне, а внутренний диаметр каждой нижерасположенной трубы отвода маточного раствора меньше внутреннего диаметра расположенной выше трубы отвода маточного раствора.
В соответствии с п.2 формулы полезной модели цилиндроконические вставки дополнены нижними коническими поверхностями.
Данная полезная модель отвечает всем требованиям, предъявляемым к ней как к объекту патентной защиты. В качестве полезной модели заявлено техническое решение, относящееся к устройству.
Техническое решение является новым, так как заявителем при проведении патентных исследований не обнаружен идентичный ему по совокупности признаков вакуум-кристаллизатор.
Полезная модель промышленно применима, так как она может быть использована в промышленности. Заявляемое техническое решение охарактеризовано конкретными конструктивными признаками, каждый из которых воспроизводим и не противоречит применению вакуум-кристаллизатора в промышленных условиях. Вся совокупность существенных признаков полезной модели и каждый признак в отдельности направлен на достижение ожидаемого технического результата - рациональное распределение жидких сред в вакуум-кристаллизаторе для стабилиции уровней жидких сред в корпусе и в переливных бачках.
Подтверждением этого является приведенное ниже описание конструкции заявляемого вакуум-кристаллизатора и его работы.
На представленном чертеже - иллюстрация конкретного конструктивного исполнения заявляемой полезной модели.
Вакуум-кристаллизатор содержит вертикальный корпус 1, внутри которого расположены циркуляционная труба 2, цилиндроконические вставки 3, образующие с внутренней стенкой корпуса 1 отстойные камеры 4, 5, 6, и переливной бачок 7, полость которого сообщена с отстойными камерами 4, 5, 6, соответственно, трубами 8, 9, 10 отвода маточного раствора, при этом внутренний диаметр трубы 9 меньше внутреннего диаметра трубы 8, а внутренний диаметр трубы 10 меньше внутреннего диаметра трубы 9.
Вакуум-кристаллизатор снабжен дополнительным переливным бачком 11, который соединен с верхом корпуса 1 трубой 12 и с низом корпуса 1 трубой 13. Бачок 11 сообщен с основным бачком 7 трубами 12 и 14, что обеспечивает стабильный уровень суспензии. В дно корпуса 1 вмонтировано сопло 15, которое с циркуляционной трубой 2 образует струйный насос. Вакуум-кристаллизаор имеет наружный циркуляционный контур, образованный трубой 16 и центробежным насосом 17, соединенным с соплом 15, при этом труба 16 соединена с отстойной камерой 4 и посредством труб 18 и 19 - с отстойными камерами 5 и 6.
Цилиндроконические вставки 3 могут быть дополнены нижними коническими поверхностями 20 для обеспечения плавного выхода суспензии из кольцевого зазора между центральной трубой 2 и цилиндроконическими вставками 3 и плавного входа в отстойные камеры 4, 5, 6, чтобы исключить завихрение потока и попадание кристаллов в них.
Вакуум-кристаллизатор снабжен необходимыми штуцерами: штуцером 21 для ввода горячего исходного (питающего) раствора; штуцером 22 подачи в аппарат суспензии; штуцерами 24 и 25 для удаления из кристаллизатора маточного раствора и суспензии, соответственно; штуцером 25 отвода образующегося при кристаллизации пара.
Вакуум-кристаллизатор работает следующим образом.
Горячий исходный (питающий) раствор непрерывно подают через штуцер 21 подают в нижнюю часть трубы 16, который после смешения с циркулирующим маточным раствором, забираемым трубами 16, 18 и 19 из отстойных камер 4, 5, 6 поступает во всасывающий патрубок центробежного насоса 17. Смесь маточного и исходного растворов под напором поступает в сопло 15. Выходящая из сопла 15 струя смеси маточного и исходного раствора увлекает находящуюся в корпусе 1 суспензию в центральную трубу 2, транспортируя указанные среды по трубе 2 снизу вверх. В результате создается циркуляция суспензии в вакуум-кристаллизаторе: вверх по трубе 2 и вниз по кольцевому зазору между центральной трубой 2 и цилиндроконическими вставками 3. Подогретая горячим исходным раствором суспензия вскипает и одновременно охлаждается при выходе из центральной трубы 2 до температуры, соответствующей вакууму (остаточному давлению) в аппарате, что приводит к пересыщению раствора, которое снимается на присутствующих в суспензии кристаллах, и к образованию новых кристаллов. Для того, чтобы обеспечить полное прокипание суспензии на выходе из трубы 2, исключить возникновение местных пересыщений раствора и контролировать образование новых кристаллов верхние концы труб 2 и 13 расположены на оном уровне. В то же время из-за того, что маточный раствор имеет меньшую плотность, чем плотность суспензии, верхний конец трубы 8 в переливном бачке должен быть выше верхних концов труб 2 и 13, так как в противном случае циркуляция суспензии может ухудшиться и даже прекратиться.
Далее суспензия опускается вниз по кольцевому зазору между центральной трубой 2 и цилиндроконическими вставками 3 и частично отводится в отстойные камеры 4, 5 и 6, где происходит осветление маточного раствора от кристаллов.
Часть осветленного маточного раствора из отстойных камер по трубам 16, 18 и 19 отводится в наружный контур циркуляции для непрерывной подачи его центробежным насосом 17 в сопло 15, а другая часть осветленного маточного раствора по трубам 8, 9, 10 - в переливной бачок 7 и отводится из него через штуцер 23.
В связи с тем, что отстойные камеры 3 расположены в корпусе 1 на разной высоте то давление столба суспензии на входе в камеры 3, определяющее расход выходящего из них маточного раствора увеличивается от верхней камеры 3 к нижней камере 3. Для обеспечения одинаковых расходов отводимого из камер 3 маточного раствора в переливной бачок 7 и в наружный циркуляционный контур, (а также для обеспечения равных скоростей восходящего потока в камерах 3), внутренний диаметр трубы 10 меньше внутреннего диаметра трубы 9, который, в свою очередь, меньше внутреннего диаметра трубы 8, а также внутренний диаметр трубы 19 меньше внутреннего диаметра трубы 18, внутренний диаметр которой меньше внутреннего диаметра трубы 16. При этом обеспечиваются и равные скорости восходящего потока маточного раствора в отстойных камерах 3.
В дополнительный переливной бачок 11 из нижней части корпуса 1 по трубе 13 отводится суспензия. Такое рациональное распределение потоков жидких сред в вакуум-кристаллизаторе позволяет накапливать в нем твердую фазу, создает условия для получения кристаллов заданного качества и обеспечивает продолжительную работу аппарата без остановок на промывку.
Для исключения ухудшения циркуляции суспензии и даже прекращения ее верхний конец трубы 8 в переливном бачке 7 должен быть выше верхних концов трубы 2 и трубы 13, так как маточный раствор имеет меньшую плотность, чем плотность суспензии. Образующийся в процессе кристаллизации пар отводят из аппарата по штуцеру 25 на конденсацию.