МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции массообменных аппаратов непрерывного действия, применяемых в процессах абсорбции, адсорбции, ректификации, сушки, особенно когда одной из фаз является высоковязкая, неньютоновская, структурированная жидкость, высококонцентрированная суспензия или эмульсия и мелкодисперсная твердая фаза.
Известны конструкции тарельчатых барботажных массообменных аппаратов (абсорберов и ректификационных колонн), представляющих собою вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга размещены горизонтальные перегородки - тарелки со сливными устройствами (Шаповалов Ю.И., Шеин В.С. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие, Воронеж. Изд-во ВГУ, 1981, с. 140)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся малая скорость движения высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, высококонцентрированных суспензий или эмульсий и мелкодисперсной твердой фазы по горизонтальным перегородкам, что резко снижает производительность колонны.
Известна конструкция адсорбера непрерывного действия включающего корпус с хроматографическими секциями, внутри которых размещены колосниковые тарелки, распределительная тарелка со штуцерами ввода исходного сырья, устройства для подвода тепла в хроматографическую секцию, аккумулирующие тарелки со штуцерами вывода выделяемых из исходного сырья фракций и устройство для ввода свежего и вывода отработанного адсорбента, при этом колосниковые и аккумулирующие тарелки установлены под углом к горизонтальной поверхности большим угла трения между материалом гранул и материалом тарелки, причем тарелки в нижней части снабжены патрубками с образованием зазора между их торцами и поверхностью нижераспологающейся тарелки, равного по высоте слоя адсорбента на тарелке (Патент на полезную модель №111022, РФ B01D 53/06 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая поверхность тарелок из-за необходимости установки на каждой из них патрубков для перетекания адсорбента с одной тарелки на другую, что снижает производительность колонны.
Известна конструкция массообменного аппарата, содержащего центральную вертикальную цилиндрическую пустотелую колонну, являющуюся загрузочным патрубком для твердой фазы и снабженную отверстием, расположенным на уровне днища, с закрепленным на ее наружной поверхности спиральным рабочим органом с радиально расположенными перегородками, имеющими козырек, по всей его длине, разгрузочный лоток в конце верхнего витка рабочего органа, разделитель потока на верхнем витке рабочего органа с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, штуцеров для подвода экстрагента и отвода экстракта, установленных с выходом на предпоследний виток рабочего органа и в нижней части аппарата соответственно, при этом спиральный рабочий орган аппарата выполнен сплошным с радиально расположенными перегородками по всей длине его поверхности, высота которых не превышает вертикальную составляющую амплитуды колебаний вибратора (Патент №2257936, РФ B01D 11/02 2005).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность использования данного массообменного аппарата в системах с газовыми и паровыми фазами компонентов, что резко снижает производительность в условиях массообмена с участием газовой или паровой фаз.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является конструкция массообменного аппарата, состоящего из вертикального корпуса, загрузочного и выгрузочного устройств, патрубков, двухзаходного шнекового винта, закрепленного на полом валу, привода, корпуса в верхней части которого находится коллектор, расположенный на уровне последнего винта шнека, винтовые поверхности перфорированы отверстиями различного диаметра в средней части винта, а угол наклона образующей верхней винтовой поверхности к оси винта и угол подъема верхней и нижней винтовых поверхностей больше угла естественного откоса твердой фазы, по гребням витков закреплена спиральная полоса, превращающая межвинтовой объем в замкнутый спиральный канал, в котором установлены радиальные перегородки, а в стенах вала выполнены отверстия, размещенные между радиальными перегородками (Патент №2079346, РФ B01D 53/06 1997).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится недостаточная интенсивность массообменного процесса вследствие того, что большая часть газового (парового) потока движется над поверхностью твердого материала, а не сквозь него.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение производительности в условиях массообмена между газовой (паровой) и жидкой (твердой дисперсной) фазами.
Техническим результатом является интенсификация массообменного процесса за счет увеличения скорости движения газовой (паровой) среды относительно жидкой или твердой дисперсной фаз.
Поставленный технический результат достигается тем, что массообменный аппарат, состоит 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 корпус в нижней части содержит газораспределительную камеру и перфорированную решетку, отделяющую газораспределительную камеру от шнекового винта, а шнековый винт выполнен однозаходным, при этом радиальные перегородки расположены на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта.
Установка в нижней части корпуса газораспределительной камеры и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта позволяет равномерно распределять газовый (паровой) поток по сечению корпуса массообменного аппарата, что выравнивает поле скоростей его движения, стабилизирует массообмен во всем сечении аппарата и обеспечивает высокую интенсивность процесса массопереноса и производительность аппарата.
Применение однозаходного шнекового винта снижает гидравлическое сопротивление восходящему потоку газа (пара), что увеличивает скорость этого потока, интенсифицирует процесс массопереноса и повышает производительность массообменного аппарата.
Установка радиальных перегородок на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, создает вертикальный газовый (паровой) поток и заставляет его барботировать через отверстия в поверхности перфорированного шнекового винта сквозь слой подаваемой высоковязкой неньютоновской и структурированной жидкости, высококонцентрированной суспензии, эмульсии или мелкодисперсной твердой фазы.
Выполнение зазора относительно верхней поверхности витка шнекового винта позволяет создавать на верхней поверхности шнекового винта слой высоковязкой неньютоновской и структурированной жидкости, высококонцентрированной суспензии, эмульсии или мелкодисперсной твердой фазы заданной толщины, которая под действием силы тяжести непрерывно перемещается сверху вниз по поверхности шнекового винта через этот зазор. Таким образом, не происходит скопление подаваемой высоковязкой неньютоновской и структурированной жидкости, высококонцентрированной суспензии, эмульсии или мелкодисперсной твердой фазы, что обеспечивает стабильность гидравлического сопротивления восходящему потоку газа (пара) и в свою очередь интенсифицирует процесс массопереноса и повышает производительность.
Для дополнительного увеличения скорости массопереноса и производительности массообменного аппарата, возможна установка между внешними торцами шнекового винта и корпусом торцевого уплотнителя, препятствующего перемещению газовой (паровой) фазы вдоль корпуса, минуя отверстия в спирали перфорированного шнекового винта, что заставляет весь поток газа (пара) барботировать через отверстия в спирали перфорированного шнекового винта и слой подаваемой фазы (высоковязкой неньютоновской и структурированной жидкости, высококонцентрированной суспензии, эмульсии или мелкодисперсной твердой фазы).
На фиг. представлен общий вид массообменного аппарата в разрезе.
Массообменный аппарат состоит из вертикального корпуса 1 с патрубками для подвода исходных веществ 2, отвода продуктов массообмена 3 высоковязкой, неньютоновской, структурированной жидкости, высококонцентрированной суспензии, эмульсии или мелкодисперсной твердой фазы (подаваемой фазы), патрубками входа 4 и выхода 5 газовой (паровой) фазы, однозаходного шнекового винта 6, равномерно перфорированного по всей винтовой поверхности, с радиальными перегородками 7, закрепленного на сплошном валу 8. Газораспределительная камера 9, расположенная в нижней части корпуса 1, отделена от шнекового винта 6 перфорированной решеткой 10. Каждая радиальная перегородка 7 имеет зазор 11 относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта. Между внешними краями шнекового винта 6 и внутренней поверхностью стенки цилиндрического корпуса 1 могут быть установлены торцевые уплотнители 12.
Массообменный аппарат работает следующим образом. По патрубку 2 подаваемая фаза поступает в верхнюю часть корпуса 1, затем медленно движется сверху вниз под действием силы тяжести по верхней поверхности витков шнекового винта через зазоры 11 и выходит из корпуса 1 через патрубок 3. По патрубку 4 в газораспределеную камеру 9 подают восходящий поток газа (пара), который равномерно распределяется по сечению массообменного аппарата проходя через перфорированную решетку 10. Поток газа (пара) проходя через отверстия в витках перфорированного шнекового винта 6 образует с подаваемой фазой барботажный слой, в котором происходит массообмен между подаваемой фазой и восходящей газовой фазой. Газовый (паровой) поток выходит из корпуса 1 через патрубок 5. Так как между витками перфорированного шнекового винта 6 установлены радиальные перегородки 7, ограничивающие слой жидкости или твердой дисперсной фазы, то движение газовой (паровой) 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.
При использовании в качестве подаваемой фазы гранул частиц порошков, для обеспечения самопроизвольного движения подаваемой фазы сверху вниз под действием сил тяжести, необходимо использование шнекового винта с углом «α» наклона витков больше чем угол трения «φ» между материалом подаваемой фазы и материалом витков перфорированного шнекового винта. Барботажный слой, образующийся в подаваемой фазе при прохождении через нее восходящей газовой (паровой) фазы, увеличивает подвижность частиц дисперсной фазы в исходной среде, что также способствует увеличению производительности массообменного аппарата.
Таким образом, установка в нижней части корпуса газораспределительной камеры и перфорированной решетки, отделяющей газораспределительную камеру от шнекового винта и применение перфорированного по всей поверхности однозаходного шнекового винта интенсифицирует процесс массопереноса и повышает производительность массообменного аппарата, а установка радиальных перегородок на нижней поверхности шнекового винта, с зазором относительно верхней поверхности следующего витка шнекового винта, позволяет значительно увеличить поверхность массопереноса между взаимодействующими высоковязкой, неньютоновской, структурированной жидкостью, высококонцентрированной суспензией или эмульсией, или мелкодисперсной твердой фазой и газовой (паровой) фазой с барботажем через слой вышеназванной жидкости или твердой дисперсной фазы, что также повышает производительность массообменного аппарата и интенсифицирует процесс массопереноса.