Устройство для интенсификации массообменных и реакционных процессов в гетерогенных средах
DEVICE FOR INTENSIFICATION OF MASS EXCHANGE AND REACTION PROCESSES IN HETEROGENEOUS MEDIA

Изобретение относится к устройствам для интенсификации массообменных и реакционных процессов в гетерогенных системах и может быть использовано в химической, металлургической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности при проведении технологических процессов выщелачивания, экстракции, растворения твердых частиц, в том числе с химической реакцией и т.п.
Известен аппарат для суспензирования в жидкости осадков, порошков, паст (патент на изобретение РФ № 2131294, опубл. 10 06.1999 г.). Повышение эффективности перемешивания достигается тем, что в аппарате, состоящем из корпуса, циркуляционной трубы с прорезями, закрепленной на ней конической перфорированной перегородки и вала, на котором размещены ротор цилиндрической формы с отверстиями и диск с лопастями, обратный конус выполнен на большем основании конической перегородки. Одной стороной обратного конуса служит боковая поверхность конической перегородки, другой - боковая поверхность цилиндрического пояса, который размещен вертикально и соосно с корпусом аппарата и крепится к большому основанию конической перегородки, что способствует образованию кольцевого зазора между стенкой аппарата и наружной поверхностью цилиндрического пояса. Одинаковое сечение зазора по всей высоте предотвращает резкое изменение направления движения потока, в связи с этим отсутствуют дополнительные гидравлические сопротивления в кольцевом зазоре. Существенным недостатком данного изобретения является использование механического способа перемешивания гетерогенной системы, который требует больших энергетических затрат для вращения гетерогенной системы с целью равномерного распределения компонентов по всему ее объему. А увеличение скорости потока приводит к существенному возрастанию гидравлического сопротивления и расслоению гетерогенной системы. Кроме того, организация интенсивного гидродинамического режима массообменных и реакционных процессов осуществляется двумя типами перемешивающих устройств, что усложняет устройство аппарата.
Известно устройство для интенсификации массообменных и реакционных процессов в гетерогенных системах (патент на изобретение РФ 2264847, опубл. 27.11.2005 г.). Устройство состоит из нагнетателя и трубы, состоящей из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением, чередующихся с участками с постоянным поперечным сечением. Прохождение гетерогенной системы через участки с периодически изменяющимся поперечным сечением неоднократно возбуждает колебания скорости, ускорение и давление внутри системы, что способствует повышению интенсификации массообменных процессов. Периодическая подача газа увеличивает разность плотностей между фазами гетерогенной системы и, как следствие, приводит к увеличению относительной скорости движения между ними. Однако большая длина трубы переменного поперечного сечения приводит к возрастанию гидравлического сопротивления и к значительному повышению расхода энергии на нагнетание гетерогенной системы. Наличие газа в системе может привести к возникновению гидравлических ударов и разрыву трубы. Эти недостатки ограничивают практическую применимость известного способа и аппарата для его осуществления.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится аппарат, состоящий из корпуса, побудителя колебаний, привода, генератора колебаний, устройств для ввода компонентов и вывода продуктов, поршня для настройки упругой системы. Спектр частот колебаний задают непрерывным или дискретным так, чтобы границы спектра частот соответствовали минимальной и максимальной собственным частотам колебаний дисперсных включений, а амплитуду колебаний устанавливают в зависимости от частоты. По мере стабилизации геометрических размеров дисперсных включений диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний постоянно сужают, а собственную частоту колебаний системы «гетерогенная среда - аппарат» непрерывно подстраивают так, чтобы она совпадала с частотой возбуждаемых в системе колебаний. За счет повышения эффективности использования введенной в гетерогенную систему энергии удается интенсифицировать реакционные и массообменные процессы. В то же время, непродолжительность контакта фаз, связанное с их прямоточным движением в реакционной зоне аппарате, снижает эффективность массообменных процессов и требует осуществления рециркуляции гетерогенной системы в аппарате, что является существенным недостатком данного способа. Необходимость поддержания одинаковой частоты колебаний системы «гетерогенная среда - аппарат» и возбуждаемых в системе колебаний требует их непрерывной подстройки, что затрудняет управление технологическим процессом. Известный аппарат малопригоден для проведения реакционных и массообменных процессов, в которых дисперсной фазой являются твердые частицы большой гидравлической крупности, являющиеся основным компонентом, например окислительно-восстановительных процессов восстановление ионов тяжелых цветных металлов из отработанных технологических растворов и/или промышленных сточных методом цементации (патент на изобретение РФ № 2306975, опубл. 27.09.2007 г.).
Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности массообменных и реакционных процессов при использовании в качестве дисперсной фазы крупных твердых частиц, надежности управления технологическим процессом, упрощение конструкции аппарата.
Техническая задача достигается тем, что аппарат для осуществления массообменных и реакционных процессов в гетерогенных системах содержит корпус с побудителем колебаний в виде поршня, соединенного с ним привода, корпус снабжен патрубками для подачи сплошной и дисперсной фаз, отличающийся тем, что на корпусе установлена крышка с закрепленной в ней циркуляционной трубой с продольными прорезями в двух уровнях и обращенной внутрь корпуса, поршень установлен внутри циркуляционной трубы, на крышке дополнительно закреплены сетчатые контейнеры для размещения в них дисперсной фазы в виде крупных частиц, причем на крышке имеются штуцера для ввода дисперсионной среды и химического реагента, а в нижней части корпуса выполнен штуцер для вывода продуктов массообменных и реакционных процессов.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
- на корпусе установлена крышка с закрепленной в ней циркуляционной трубой;
- циркуляционная труба имеет продольные прорезями в двух уровнях;
- циркуляционная труба обращена внутрь корпуса;
- поршень установлен внутри циркуляционной трубы;
- на крышке дополнительно закреплены сетчатые контейнеры для размещения в них дисперсной фазы в виде крупных частиц;
- на крышке имеются штуцера для ввода дисперсионной среды и химического реагента;
- в нижней части корпуса выполнен штуцер для вывода продуктов массообменных и реакционных процессов.
Поэтому можно предположить, что заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».
Изобретение может быть изготовлено с использованием известного оборудования, поэтому оно соответствует критерию «промышленная применимость».
На фиг. 1, 2 схематично показан заявляемый аппарат.
Аппарат состоит из корпуса 1, крышки 2, по оси которой закреплена циркуляционная труба 4 со штоком и поршнем 5, соединенным с электроприводом 8. Шток в нижней своей части соединен с поршнем за счет шарового соединения, а в верхней части - на оси эксцентрика электропривода фиксируется шайбой и закрепляется шплинтом. Циркуляционная труба 4 выполнена в виде цилиндра и имеет в стенке по всему периметру продольные щели 6 в двух уровнях шириной не более 5 мм и длиной от 25 до 30 мм. Контейнеры 3, в которые загружается дисперсная фаза, квадратного сечения в плане, выполнены из вязанных полипропиленовых сеток в виде плетеной корзины, имеют в верхней части фланец, с помощью которого закрепляются в монтажном отверстии 7 крышки 2.
В крышке аппарата имеются штуцера для ввода дисперсионной среды «Б» и химического реагента «В». В сферическом днище аппарата имеется штуцер «А» для вывода продуктов массообменных и реакционных процессов.
Аппарат работает следующим образом. Жидкие реагенты заливают через штуцер «Б» и «В» до уровня на 20-30 мм выше верхнего края верхних продольных прорезей циркуляционной трубы. Твердый реагент загружают в полимерный контейнер 3 в количестве, рассчитанном в соответствии с уравнением материального баланса, и устанавливают в монтажные проемы крышки 2 корпуса аппарата 1.
Непрерывная циркуляция дисперсионной среды обеспечивается ходом возвратно-поступательного движения поршня 5 между верхним краем нижнего ряда и нижним краем верхнего ряда продольных прорезей циркуляционной трубы 4. При движении поршня вверх осуществляется подсос жидкости через нижний ряд прорезей из корпуса аппарата в циркуляционную трубу. Одновременно происходит нагнетание жидкости, находящейся над поршнем, через верхний ряд прорезей циркуляционной трубы в контейнер. При возвратном движении поршня происходит выдавливание жидкости через нижний ряд прорезей циркуляционной трубы в корпус аппарата с последующим нагнетанием ее в контейнер. В процессе непрерывной циркуляции дисперсионной среды через контейнер происходят реакционные процессы между химическими компонентами гетерогенной системы, приводящие к образованию новых продуктов. После завершения технологического цикла, образующаяся суспензия сливается из аппарата через штуцер «А» и направляется на технологическую стадию ее дальнейшей переработки с целью выделения образовавшихся продуктов.
Таким образом, в аппарате создаются гидродинамические условия, обеспечивающие высокую степень турбулизации жидкости в ядре потока и, как следствие, повышение интенсификации массообменных и реакционных процессов, протекающих в гетерогенной системе. Повышение диффузных и кинетических характеристик этих процессов приводит к сокращению времени пребывания гетерогенной системы в реакционной зоне аппарата и повышению его производительности.
Аппарат может быть использован для осуществления массообменных и реакционных процессов, в которых гетерогенная система содержит дисперсную фазу в виде крупных частиц различного размера и неопределённой формы, например, отработанные металлические материалы (гайки, шайбы, болты), отходы металлообработки (металлическая стружка) и другие, которые используются в качестве реагентов-восстановителей в окислительно-восстановительных процессах. Дисперсионной средой таких гетерогенных систем могут служить отработанные технологические растворы и сточные воды предприятий машиностроения, оборонной промышленности и цветной металлургии, содержащих в своем составе в качестве ценных компонентов ионы цветных металлов.
При проведении патентно-информационных исследований заявляемая совокупность признаков выявлена не была, поэтому заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень»
В качестве примера можно привести переработку гетерогенной системы, состоящей из отработанных хром (VI) содержащих электролитов и /или сточных вод процесса хромирования, серной кислоты и железной стружки. Такая гетерогенная система перерабатывается с целью обезвреживания высокотоксичных жидких отходов гальванического производств, утилизации ценных компонентов и использования утильного продукта в качестве техногенного сырья в металлургическом и/или лакокрасочном производстве.
В реактор 1 (фиг. 1) загружают жидкие реагенты (отработанный технологический раствор, серная кислота) через входные патрубки «Б» и «В», а твердый реагент (железная стружка) загружается в контейнер 3, выполненный из вязанных полипропиленовых сеток, который опускается внутрь корпуса реактора 1 через монтажные проемы 7 в крышке 2 реактора. При включенном приводе 8 поступательно-возвратное перемещение штока с поршнем 5 между верхними и нижними рядами продольных прорезей 6 осуществляет непрерывную циркуляцию дисперсионной среды через дисперсную фазу, создавая условия обновления сред на границе раздела фаз. За счет изменяющихся гидродинамических условий ускоряются массообменные и реакционные процессы, протекающие на границе раздела фаз, что приводит к значительному сокращению времени пребывания компонентов в реакционной зоне аппарата и образованию продукта реакции в виде дисперсного хорошо структурированного гидрофобного легко фильтруемого осадка. Продукт реакции выгружают через патрубок «А».
В таблице приведены сопоставительные данные заявляемого объекта и известного прототипа.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет:
• обеспечить интенсификацию массообменных и реакционных процессов в гетерогенных системах, содержащих дисперсную фазу в виде крупных частиц произвольной формы;
• достигнуть высокое качество продукта, который может быть использован в качестве техногенного сырья в металлургической и/или лакокрасочной промышленности;
• упростить конструкция аппарата;
• снизить трудозатраты на эксплуатацию и обслуживание.
Таблица
Сравнительныепоказатели
Объекты
Прототип (патент 2306975)
Заявляемый
1. Достижение интенсификации массообменных и реакционных процессов
Достигается только в период совпадения возбужденных механических колебаний с собственными частотами колебаний дисперсных включений
Обеспечивается в течение всего технологического цикла
2. Обеспечение высокой степени гомогенизации и качества продукта
Не обеспечивается низкая влажность и высокая степень структурирования продукта
Достигается однородность и качество продукта
3. Сложность конструкции
Усложнение конструкции из-за необходимости наличия в аппарате устройства, обеспечивающее изменение амплитуды и частоты механических колебаний
Отсутствует
4. Дополнительные трудозатраты
Необходимо постоянно регулировать режимы колебаний в зависимости от изменяющегося дисперсного состава гетерогенной среды
Обслуживание и перестройка механизма не требуется