Массообменный аппарат для электросорбционных процессов

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции массообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых для процессов адсорбции, абсорбции, десорбции, хемосорбции, ионообмена и может найти применение в химической, нефтехимической, нефтегазовой, пищевой, фармакологической, биохимической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах выщелачивания и селективной очистки жидких и газовых неоднородных систем.
Известны конструкции сорбционных массообменных аппаратов, представляющих собою вертикальные аппараты, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены секции со слоями сорбента (Тимонин А.С., Божко Г.В., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. и др. Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств. Книга 2 / под общей ред. А.С. Тимонина. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 476 с., Тимонин А.С., Балдин Б.Г., Борщев В.Я., Гусев Ю.И. Машины и аппараты химических производств / под общей ред. А.С. Тимонина. - Калуга: Изд. «Ноосфера», 2014. - 856 с.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся малая эффективность массообменных процессов (из-за отсутствия наложенных электрических полей, приводящих к интенсификации диффузионных процессов и увеличению емкости сорбентов) и неравномерность пребывания дисперсной фазы (сорбента) в массообменных аппаратах.
Известна конструкция аппарата для проведения сорбционных процессов во взвешенном слое, содержащий корпус с патрубками для входа и выхода газового потока и адсорбента, газораспределительную решетку и циклонное устройство, при том, что над газораспределительной решеткой установлен стакан с перфорированным днищем, а внутри циклонного устройства установлено кольцо, причем стакан и кольцо, выполненные из электропроводного материала, закреплены на электроизоляционных прокладках и имеют клеммы для присоединения к источнику постоянного тока (Патент №2078410, РФ B01D 53/06 1997).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая производительность массообменного аппарата, из-за неравномерности времени пребывания сорбента в аппарате.
Известна конструкция аппарата для очистки газа от примесей, включающий рабочую камеру с диспергированным адсорбентом, коронирующий электрод, патрубки для подвода и отвода газа, при том, что рабочая камера выполнена в виде параллельных перфорированных емкостей из диэлектрического материала с размещенным внутри адсорбентом, делящих аппарат на секции для ионизации газа, в которых расположены коронирующие электроды (Патент №2133139, РФ B01D 53/04, B01D 53/32, 1999).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится отсутствие возможности осуществлять процессы массообмена в непрерывном режиме.
Известна конструкция адсорбера, включающего цилиндрический корпус и днища, внутренний и внешний перфорированные цилиндры, установленные соосно с корпусом и между собой, заполненные адсорбентом или другим материалом, и штуцера входа и выхода, расположенные на обоих днищах адсорбера, при том, что на верхнем днище установлены штуцера для подачи свежего адсорбента и отвода очищенной жидкости, на нижнем днище установлены штуцера для подачи очищаемой жидкости и отвода отработанного адсорбента, осесимметрично с корпусом и цилиндрами установлен стержень-электрод, при этом корпус и внутренний цилиндр присоединены к отрицательному полюсу, внешний цилиндр и стержень-электрод - к положительному полюсу источника постоянного тока (Патент №101940, РФ B01D 53/02, 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится отсутствие возможности осуществлять процессы массообмена в непрерывном режиме.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, патрубков для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, закрепленного на валу, при этом, что корпус в нижней части содержит газораспределительную камеру и перфорированную решетку, отделяющую газораспределительную камеру от шнекового винта, а шнековый винт выполнен однозаходным, при том радиальные перегородки расположены на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта (Патент №141487, РФ B01D 53/06, B01D 11/02, 2014).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится не высокая интенсивность массообменных процессов и малая производительность массообменного аппарата, вследствие низкой емкости сорбентов при осуществлении сорбционных процессов.
Задача - разработка конструкции массообменного аппарата для электросорбционных процессов, обеспечивающего развитый контакт между сплошной фазой и сорбентом, при равномерном времени пребывания сорбента в аппарате.
Техническим результатом предлагаемого массообменного аппарата для электросорбционных процессов является интенсификация массообменных процессов и повышение производительности аппарата.
Технический результат достигается при использовании массообменного аппарата для электросорбционных процессов, состоящего из вертикального корпуса с газораспределительной камерой, патрубками для подвода исходных веществ и отвода продуктов массообмена, закрепленного на полом валу однозаходного шнекового винта с перфорированной винтовой поверхностью и радиальными перегородками, расположенными на нижней поверхности шнекового винта с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта, при этом корпус и полый вал выполнены из электропроводного материала и подсоединены к противоположно заряженными полюсам источника постоянного напряжения, а шнековый винт, радиальные перегородки и перфорированная решетка выполнены из диэлектрического материала.
Сущностью технического решения является разработка массообменного аппарата непрерывного действия, реализующего развитый контакт между сплошной фазой и сорбентом (дисперсной фазой), обеспечивающего равномерное время пребывания сорбента в аппарате, при том, что протекающие в нем сорбционные процессы осуществляются под воздействием электрических полей заданной интенсивности, что приведет к интенсификации массообменных процессов и повышению емкости сорбентов и ионообменных смол, а соответственно и производительности массообменного аппарата.
Выполнение корпуса аппарата и полого вала из электропроводного материала и их использование в качестве противоположно заряженных электродов, позволяет под воздействием электрического поля увеличивать емкость сорбентов (ионообменных смол) и снижать их диффузионное сопротивление. Таким образом, сорбционные процессы, осуществляемые под воздействием электрического поля существенно интенсифицируются, что повышает производительность аппарата.
Выполнение шнекового винта, радиальных перегородок и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта из диэлектрического материала позволяет предотвратить пробой между противоположно заряженными электродами, функцию которых выполняют корпус массообменного аппарата и полый вал, что обеспечивает принципиальную работоспособность устройства.
На чертеже показан общий вид массообменного аппарата для электросорбционных процессов в разрезе.
Массообменный аппарат для электросорбционных процессов состоит из вертикального корпуса 1 выполненного из электропроводного материала с патрубками для подвода 2 и отвода 3 сорбентов, патрубками входа 4 и выхода 5 очищаемой сплошной фазы (газа, жидкости), однозаходного шнекового винта 6 выполненного из диэлектрического материала, равномерно перфорированного по всей винтовой поверхности, с радиальными перегородками 7, также выполненными из диэлектрического материала, закрепленного на полом валу 8. Распределительная камера 9, расположенная в нижней части корпуса 1, отделена от шнекового винта 6 перфорированной решеткой 10 выполненной из диэлектрического материала. Каждая радиальная перегородка 7 имеет зазор 11 относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта 6.
Корпус 1 и полый вал 8 массообменного аппарата подсоединены к противоположно заряженными полюсам источника постоянного напряжения: полярность подключения корпуса 1 и полого вала 8 зависит от назначения массообменного аппарата и может меняться в зависимости от требований к текущему режиму работы.
Массообменный аппарат для электросорбционных процессов работает следующим образом.
По патрубку 2 подаваемая дисперсная фаза (абсорбент, адсорбент, гранулы сорбента, ионообменные смолы, катализатор) поступает в верхнюю часть электропроводного корпуса 1, например, подключенного к отрицательно заряженному источнику постоянного напряжения. Затем дисперсная фаза медленно движется сверху вниз под действием силы тяжести по верхней оребренной поверхности витков электропроводного шнекового винта 6 через зазоры 11 и выходит из корпуса 1 через патрубок 3. Одновременно с ней по патрубку 4 в распределительную камеру 9 подают восходящий поток сплошной фазы (газа, жидкости), который равномерно распределяется по сечению массообменного аппарата, проходя через перфорированную решетку 10. Поток сплошной фазы (газа, жидкости) проходя через отверстия в витках перфорированного шнекового винта 6 образует с подаваемой фазой барботажный слой, в котором происходит массообмен между подаваемой дисперсной фазой (сорбентом) и восходящей сплошной фазой. Поток сплошной фазы выходит из корпуса 1 через патрубок 5. Так как между витками перфорированного шнекового винта 6 установлены радиальные перегородки 7, ограничивающие слой дисперсной фазы, то движение сплошной (газовой или жидкой) фазы по винтовому каналу в корпусе в зазоре между подаваемой фазой и нижней поверхностью витков перфорированного шнекового винта 6 затруднено, что заставляет ее двигаться вертикально через отверстия (перфорации) шнекового винта. Между противоположно заряженными электропроводными корпусом 1 и полым валом 8 (подключенным к положительно заряженному источнику постоянного напряжения) возникает регулируемое электрическое поле заданной интенсивности. Под воздействием электрического поля происходит увеличение емкости сорбентов (ионообменных смол) и снижение их диффузионного сопротивления, в результате чего происходит интенсификация сорбционных массообменных процессов и увеличивается производительность массообменного аппарата. Выполнение шнекового винта, радиальных перегородок и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта из диэлектрического материала обеспечивает сохранность электроцепи от пробоя. Для защиты цепи от токов короткого замыкания служит автоматический выключатель QF.
Также следует отметить целесообразность использования данного массообменного аппарата для процессов десорбции, что при наложении интенсивных электрических полей позволит существенно повлиять на их интенсивность и качество регенерации сорбентов.
Таким образом, выполнение корпуса аппарата и полого вала массообменного аппарата для электросорбционных процессов из электропроводного материала, использование их в качестве противоположно заряженных электродов, при выполнении шнекового винта, радиальных перегородок и перфорированной решетки из диэлектрического материала, позволяет осуществлять сорбционные процессы в электрических полях заданной интенсивности, что приводит к интенсификации массообменных сорбционных процессов и повышает производительность массообменных аппаратов.