УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
DEVICE FOR PHYSICAL AND CHEMICAL PROCESSES

Область изобретения
Изобретение относится к машиностроению, в частности к аппаратам для проведения физико-химических процессов, т.е. аппаратурному обеспечению физико-химических процессов с присутствием твердой, жидкой и газообразной фаз, а более конкретно к устройству для проведения физико-химических процессов, в частности смешивания, нагревания или охлаждения, фильтрации, растворения и выделения осадка (возможно кристаллического), а также сушки целевого продукта. Изобретение может найти применение в различных областях промышленности, а именно в химической, фармацевтической, пищевой, и др.
Известный уровень техники
Известное устройство - реактор-фильтр-сушка, обеспечивает процессы реакций, фильтрации, сушки и выгрузки продукта (патент РФ 2104771, B01J 9/18, опубл. 20.02.1998)
Реактор-фильтр-сушилка, содержащий рубашку для нагрева или охлаждения, фильтрующий элемент, мешалку, при этом емкость установлена на раме с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси на 180° для перемещения фильтрующих патронов в нижнее положение при проведении процесса фильтрования, фильтрующие патроны снабжены устройством для съема осадка в исходном положении емкости, закрепленным, по меньшей мере, на трех штангах, с возможностью возвратно-поступательного движения, а эффективность выгрузки сухого или пастообразного продукта через выгруженное устройство обеспечивается мешалкой, имеющей возможность изменять направление и скорость вращения.
Недостатками этого реактора являются сложность конструкции и вызванная ею высокая металлоемкость. Наличие патронных элементов вызывает образование обширных застойных зон и, как следствие, низкое качество смешивания компонентов при существенных затратах времени. Это сказывается на качестве готового продукта. В этом аппарате неизбежны трудности при обработке суспензий с высокой концентрацией твердой фазы, особенно высоковязких. Затруднена выгрузка целевого продукта, так как осадок уплотнен вокруг фильтрующих патронов, а выгрузка производится через разгрузочное устройство небольшого сечения сложной конфигурации, что не позволяет проникнуть внутрь для определения полноты выгрузки продукта.
Наиболее близким к предлагаемому является реактор-фильтр (RU 2063799, B01J 18/10, опубл. 20.07.1996), который состоит из корпуса с рубашкой, перемешивающего устройства с приводом, фильтровальной перегородки, приемника фильтрата с отверстием для его слива, причем фильтровальная перегородка выполнена в виде проволочной сетки, а отверстие для слива фильтрата перекрыто вентилем. Кроме того, аппарат имеет днище с крышкой, образующие полость. Опускание и поворот днища с приемником фильтрата осуществляется с помощью специального механизма.
Недостатком этого устройства является значительная металлоемкость из-за сложности конструкции. Данное устройство не используется в случае получения твердого целевого продукта.
Сущность изобретения
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание устройства для проведения физико-химических процессов с получением целевого продукта. Устройство по изобретению предлагается для проведения процессов в жидких средах с присутствием твердой и газообразной фаз, где требуется как теплообмен между обрабатываемой средой и циркулирующим в рубашке жидким теплохладоагентом, так и интенсивное перемешивание содержимого реактора.
Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в значительном упрощении конструкции и уменьшении затрат материалов на изготовление этого устройства, улучшение качества перемешивания и, соответственно, выхода целевого продукта.
Кроме того, предлагаемое устройство дает возможность проводить физико-химические процессы без перемещения обрабатываемых продуктов из одного аппарата в другой (в отличие от осуществления каждой технологической операции в специальном аппарате). Соответственно устройство обеспечивает уменьшение площадей производственных помещений, экономию времени проведения технологических операций и сокращает трудозатраты на осуществление всего процесса получения целевого продукта. При этом повышается выход целевого продукта за счет сокращения его потерь.
Поставленная задача решается тем, что предлагается устройство для проведения физико-химических процессов, которое содержит вертикальный цилиндрический корпус с рубашкой, крышку, перемешивающее устройство, фильтрующий узел с устройством его перемещения, отличающееся тем, что корпус выполнен из двух труб разного диаметра, вставленных одна в другую для образования теплообменной рубашки, а фильтрующий узел содержит направляющий кожух и перемещаемое подъемным механизмом в вертикальном направлении в пределах направляющего кожуха подъемно-опускаемое фильтрующее днище, представляющее собой цилиндрическую конструкцию с двумя перегородками.
Верхняя перегородка выполнена фильтрующей и размещена в верхнем положении фильтрующего узла заподлицо с верхним краем направляющего кожуха. Она выполнена либо из твердого пористого фильтрующего материала, либо из перфорированных пластин, на которых или между которыми размещены мягкие или твердые фильтрующие материалы. Нижняя перегородка со сливным штуцером фильтрата выполнена сплошной.
Неподвижный направляющий кожух выполнен в виде полого цилиндра с окном на его боковой поверхности. В верхнем положении подвижный фильтрующий узел герметизирован по отношению к направляющему кожуху неподвижной части днища. В среднем положении подвижного фильтрующего узла по отношению к направляющему кожуху он расположен на уровне нижнего края окна в направляющем кожухе. В нижнем положении подвижный фильтрующий узел расположен с зазором по отношению к нижнему краю корпуса направляющего кожуха, что позволяет обслуживать фильтрующие элементы.
Следует отметить, что между верхней и сплошной нижней перегородками фильтрующего узла образуется вакуумируемый зазор для создания перепада давления на фильтрующей перегородке и удаления таким образом жидкости из реакционной массы путем фильтрации под вакуумом.
Соединение вакуумируемого зазора с источником вакуума на чертежах не показано.
Возможно использование подъемного механизма фильтрующего узла любого известного типа (ручного механического, электромеханического, пневматического или гидравлического).
Предлагаемое устройство содержит перемешивающее устройство, включающее реверсивный электропривод, ленточно-шнековую мешалку на телескопическом валу с устройством подъема-опускания мешалки. Обеспечена возможность изменения скорости и направления вращения мешалки. Верхняя и нижняя части вала герметизированы сильфоном. Нижняя часть мешалки выполнена в виде лопастей-ножей и, при необходимости, присоединяемого (в зависимости от вида продукта) устройства, например, в виде дополнительной насадки для уплотнения влажного осадка и выдавливания из него жидкого фильтрата.
Устройство подъема-опускания мешалки - механическое, реечного типа либо любой другой механизм линейного перемещения, известный специалистам.
Мешалка с лопастями на ее нижнем конце обеспечивает отсутствие застойных зон и равномерное перемешивание по всему объему обрабатываемой массы продукта вне зависимости от ее вязкости.
Подъемно-опускаемая мешалка, за счет формы нижних ножей позволяет срезать, разрыхлить осадок при проведении операций промывки и выгрузки, а также уплотнить осадок при фильтрации, используя реверс направления вращения мешалки, а также вертикального перемещения мешалки. При этом при недостаточном уплотнении влажного осадка с помощью лопастей, к валу мешалки крепится дополнительная насадка, повышающая эффективность выдавливания фильтрата из осадка.
Для выгрузки целевого продукта используется окно на боковой поверхности направляющего кожуха, открывающееся при опускании фильтрующего узла до среднего положения.
Материал корпуса выбирается в зависимости от требований технологического процесса, может быть использован металл, стекло, полимерные материалы.
Краткое описание чертежей
Из дальнейшего описания будут более понятны особенности и преимущества предлагаемого изобретения.
Вариант реализации устройства представлен ниже со ссылками на чертежи.
Фиг. 1 - вид устройства для проведения физико-химических процессов в разрезе, фильтрующий узел в верхнем положении.
Фиг. 2 - вид устройства для проведения физико-химических процессов в разрезе, фильтрующий узел в среднем положении.
Фиг. 3 - вид устройства для проведения физико-химических процессов в разрезе, фильтрующий узел в нижнем положении.
Фиг. 4 - вид устройства для проведения физико-химических процессов в разрезе, мешалка в поднятом положении (режим фильтрации с уплотнением осадка).
Фиг. 5 - вид устройства для проведения физико-химических процессов в разрезе, мешалка в крайнем нижнем положении (режим выгрузки целевого продукта).
Фиг. 6 - нижняя часть мешалки с двумя лопастями-ножами, вид А - вид сбоку.
Фиг. 7 - дополнительная насадка для уплотнения осадка.
Перечень позиций, указанных на чертежах:
1 - корпус,
2 - теплообменная рубашка,
3 - крышка,
4 - днище,
5 - мешалка,
6 - реверсивный электропривод мешалки,
7 - устройство для перемещения фильтрующего узла,
8 - направляющий кожух,
9 - верхняя перегородка фильтрующего узла,
10 - нижняя перегородка фильтрующего узла,
11 - окно в направляющем кожухе,
12 - лопасть-нож мешалки,
13 - сливной штуцер фильтрата,
14 - устройство для подъема-опускания мешалки,
15 - дополнительная насадка для уплотнения осадка.
Предлагаемое изобретение не ограничено продемонстрированными в данном документе вариантом его осуществления и может модифицироваться в рамках предложенной формулы изобретения.
Вариант выполнения изобретения.
Как показано на Фиг. 1, устройство для проведения физико-химических процессов включает вертикальный цилиндрический корпус 1 с теплообменной рубашкой 2, крышку 3 и днище 4, установленную на размещенном по центральной оси корпуса телескопическом валу мешалку 5 с реверсивным электроприводом 6, и устройством подъема-опускания мешалки 14, фильтрующий узел, устройство для перемещения фильтрующего узла 7.
Корпус выполнен цилиндрическим из двух труб разного диаметра, вставленных коаксиально одна в другую, которые вместе с крышкой 3 и днищем 4 образуют теплообменную рубашку 2, через которую прокачивается теплохладоноситель для нагрева или охлаждения содержимого реактора.
Днище 4 - нижняя часть корпуса, содержит неподвижную часть, выполненную в виде направляющего кожуха 8, и подвижную часть, представляющую собой фильтрующий узел, размещенный в направляющем кожухе 8.
Фильтрующий узел представляет собой перемещаемую при помощи подъемного механизма полую цилиндрическую конструкцию с перегородками, верхняя 9 из которых выполнена фильтрующей. В верхнем положении фильтрующего узла верхняя перегородка размещена заподлицо с верхним краем направляющего кожуха. Она выполнена либо из твердого пористого фильтрующего материала, либо из перфорированных пластин, на которых или между которыми размещены мягкие или твердые фильтрующие материалы.
В качестве фильтрующего элемента могут использоваться различные материалы: пористая стеклянная пластина, керамическая пластина, пористая металлическая пластина (например, из титана или нержавеющей стали), а также несущая перфорированная пластина, на которую уложен любой фильтрующий материал (в частности, различные фильтрующие ткани).
Нижняя перегородка 10 фильтрующего узла выполнена сплошной со сливным штуцером фильтрата 13.
Между верхней фильтрующей перегородкой и нижней сплошной перегородкой имеется вакуумируемый зазор.
Неподвижный направляющий кожух 8 выполнен в виде полого цилиндра с окном 11 на его боковой поверхности.
В среднем положении подвижного фильтрующего узла по отношению к направляющему кожуху 8 он расположен на уровне нижнего края окна 11 в направляющем кожухе (Фиг. 2).
В нижнем положении подвижный фильтрующий узел расположен с зазором по отношению к нижнему краю направляющего кожуха (Фиг. 3).
Перемешивающее устройство состоит из реверсивного электропривода 6, мешалки 5, которая выполнена ленточно-шнековой, а нижняя ее часть имеет вид лопастей-ножей 12, в частности, параболического профиля (Фиг. 6.)
Количество лопастей-ножей 12 определяется геометрическими характеристиками аппарата.
При необходимости к валу мешалки крепиться дополнительное устройство для повышения эффективности выжимания фильтрата из осадка (Фиг. 7).
На Фиг. 4 представлена мешалка в поднятом положении при этом осуществляется режим перемешивания.
На Фиг. 5 - мешалка в самом нижнем положении, что используется при выгрузке целевого продукта).
На Фиг. 6 показана нижняя часть мешалки с двумя лопастями-ножами, вид А - вид сбоку.
Материалы, из которых изготовлено предлагаемое устройство, определяются не только свойствами веществ, участвующих в процессе реакции, но и конкретными параметрами технологического процесса, например требованиями по температуре, значениям рН, давлению и т.д.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Для получения сухого целевого продукта исходные реактивы загружаются в реактор 1 через штуцеры на верхней крышке (на чертежах на показаны), затем включается циркуляция жидкого теплоносителя в теплообменной рубашке 2, образованной двумя трубами, после этого включается привод мешалки 6. Мешалка 5 перемешивает реакционную смесь, когда при помощи устройства подъема-опускания 14 мешалка устанавливается в среднем положении, как показано на Фиг. 1.
По окончании реакции в теплообменную рубашку 2 подается хладоноситель. При этом в процессе охлаждения из раствора выпадает осадок (возможно кристаллический), который отделяют от растворителя фильтрацией через фильтрующий узел при помощи вакуума, создаваемого в приемнике фильтрата (на чертеже не показан). Фильтрат сливается через сливной штуцер 13 в нижней перегородке.
Мешалка 5, установленная в верхнем положении при помощи устройства подъема-опускания 14, позволяет уплотнить осадок в ходе фильтрации при вращении мешалки против часовой стрелки (Фиг. 4).
При использовании дополнительной дисковой насадки 15 повышается эффективность выжимания фильтрата из осадка за счет вертикального давления горизонтальной поверхности дисковой насадки практически на всю поверхность осадка.
При необходимости оставшийся на верхней перегородке 9 целевой продукт промывается чистым растворителем, осадок размешивается при вращении мешалки 5 с лопастями-ножами 12 по часовой стрелке, а жидкая фаза отфильтровывается через сливной штуцер фильтрата 13. При промывании осадка мешалка 5 с лопастью 12 разрыхляет осадок, полученный после фильтрации.
Сушку целевого продукта можно проводить в предлагаемом устройстве как при атмосферном давлении, так и под вакуумом.
Для выгрузки целевого продукта используется окно 11 в направляющем кожухе 8.
На Фиг. 1 представлено, что при верхнем положении фильтрующего узла окно 11 на боковой поверхности направляющего кожуха 8 перекрыто (верхняя перегородка фильтрующего узла размещена заподлицо с верхним краем направляющего кожуха).
На Фиг. 2 показано, что при опускании фильтрующего узла до среднего положения с помощью устройства для перемещения фильтрующего узла 7 окно открывается (фильтрующий узел расположен на уровне нижнего края окна 11 в цилиндре направляющего кожуха 8), так как сначала частично, а затем полностью нижний край окна совмещается с верхней перегородкой фильтрующего узла, на которой размещается целевой продукт.
В этом случае при включении привода мешалки 5, опущенной в крайнее нижнее положение (Фиг. 5), обеспечивается направленная выгрузка осадка через окно 11.
Полученный целевой продукт ссыпается в технологическую емкость. Осадок сушится в том же реакторе, который обогревается путем циркуляции теплоносителя через теплообменную рубашку 2.
Выполнение мешалки 5 ленточно-шнековой с ножами-лопастями 12 обеспечивает усиление вертикальной циркуляции содержимого реактора.
Мешалка выполняет роль, как перемешивающего устройства для стабилизации температуры и других параметров по всему объему реакционной массы, так и разрыхлителя твердого слоя осадка, полученного после отфильтровывания твердой фазы, в операциях растворения и суспендирования, где она захватывает осадок и поднимает его в жидкость. Приготовление суспензии твердого вещества в жидкой среде значительно облегчается.
Кроме того, мешалка обеспечивает эффективное удаление фильтрата из осадка за счет вертикального давления практически на всю поверхность раздела фаз между осадком и жидкой или газовой фазы над ним.
В процессе сушки также необходимо перемешивать и разрыхлять осадок с помощью такой мешалки. А при выгрузке предлагаемая мешалка будет выталкивать сухой продукт.
Предлагаемое устройство аппарата за счет конструкции направляющего кожуха и фильтрующего узла существенно упрощает выгрузку целевого продукта и предотвращает потери целевого продукта при его выгрузке через боковое разгрузочное окно кожуха.
Существенные отличия заявленного устройства - конструктивное выполнение корпуса, мешалки, совмещающей возможности шнековой и ножевой и выполняющей роль пресса, воздействующего на осадок, наличие направляющего кожуха с боковым разгрузочным окном, в котором перемещается фильтрующий узел - характеризуются новой совокупностью признаков, обеспечивающих технический эффект.
Таким образом, предложено устройство для проведения физико-химических процессов, которое позволяет провести процессы смешивания реагентов, нагревания, охлаждения, суспендирования, кристаллизации, отгонки растворителей, фильтрации, промывания осадка на фильтре, а также его сушку и выгрузку.
Оно обеспечивает упрощение конструкции и, соответственно, уменьшение затрат материалов на изготовление этого устройства, улучшение качества смешивания компонентов, особенно при обработке суспензий с высокой концентрацией твердой фазы, в частности, высоковязких, что сказывается на качестве готового продукта, упрощение выгрузки целевого продукта, которое позволяет снизить его потери и таким образом повысить выход целевого продукта.