НАСАДКА ДЛЯ ВИБРАЦИОННЫХ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
NOZZLE FOR VIBRATION MASS-TRANSFER APPARATUS

Изобретение относится к конструкциям массообменных аппаратов для системы жидкость - твердое тело и может быть использовано в пищевой, химической, химико-фармацевтической и других отраслях промышленности, где используются процессы экстрагирования.
Известна ситчатая насадка [1] для колонных вибрационных массообменных аппаратов, представляющая собой набор дисков, каждый из которых имеет срез по хорде (отсекающий до 15% площади диска) и отбортовку по всему периметру диска. Диски в аппарате собираются так, чтобы срезы соседних дисков находились с противоположных сторон, а отбортовка дисков направлена против направления движения дисперсной фазы, т.е. вниз, если дисперсная фаза легче сплошной, или вверх, если дисперсная фаза тяжелее.
В случае если дисперсная фаза тяжелее сплошной, то дисперсная фаза, двигаясь сверху вниз, собирается на дисках насадки в пространствах, ограниченных дисками и их отбортовкой, при этом происходит ее удерживание и перекрестное омывание потоком сплошной фазы.
Недостатком этой конструкции при работе в системе твердое - жидкость является свободное перетекание частиц твердой фазы с одной тарелки на другую вследствие чего замедляется скорость обновления поверхности контакта фаз и, как результат, снижается эффективность массоотдачи, если же разность плотностей незначительна или частицы твердой фазы малого размера, то будет наблюдаться их унос из аппарата, с потоком сплошной фазы, тем самым сокращается продолжительность их обработки.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является насадка [2], представляющая собой шток с жестко закрепленными на нем перфорированными тарелками, снабженными по периферии бортами, направленными в сторону, противоположную движению фаз, т.е. вниз, поскольку обе фазы движутся снизу вверх.
Недостатками этого технического решения являются: определенная чувствительность аппарата к соотношению фаз и их плотности, например при малом расходе твердой фазы она не успевает накапливаться в пространстве над тарелкой, а при достаточно большом расходе твердой фазы она чрезмерно накапливается под ней, что приводит к «зависанию» твердой фазы в колонном аппарате; такие режимы не обеспечивают эффективной работы.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение диапазона устойчивой работы, повышение эффективности осуществляемых процессов в вибрационном аппарате.
Технический результат достигается тем, что тарелки, из которых собирается насадка, установлены в корпусе аппарата с зазором между стенкой и наружным диаметром тарелки не более 2 мм, а по периферии имеют жестко закрепленную отбортовку по обе стороны тарелки. Высота каждой стороны отбортовки обеспечивает формирование направленных струй более высокого давления по обе стороны тарелки.
1
2
1
2
На фиг. 1 изображена схема вибрационной насадки с тремя перфорированными тарелками. Насадка содержит: шток 1; перфорированную тарелку 2, имеющую отбортовку 3. Высота отбортовки над и под тарелкой равна h и h соответственно, общая высота отбортовки составляет h+h+δ, где δ - толщина перфорированной тарелки.
Работа вибрационной насадки осуществляется следующим образом. При колебании насадки в рабочем объеме аппарата происходит формирование знакопеременного движения обрабатываемой системы: жидкое - твердое. При этом обеспечивается высокая скорость образования коротких кавитационных волн и вихрей при прохождении жидкости через отверстия перфорированных тарелок 2. Скорость формирования таких волн и возникающая при этом энергия волн существенным образом зависят от перепада давления по обе стороны перфорированной тарелки 2. Именно поэтому необходимо создать большее гидравлическое сопротивление проходу контактирующих фаз в зазоре между стенкой аппарата и периферией тарелки. Для этого по периметру тарелки жестко закреплена отбортовка 3, распределенная по обе стороны тарелки, при этом высота каждого борта определяется структурно-механическими, физико-химическими свойствами обрабатываемой системы и режимными параметрами (амплитудой и частотой колебаний) и устанавливается опытным путем.
Размещение отбортовки с обеих сторон тарелки обеспечит интенсификацию процесса массопередачи за счет создания гидродинамического режима, характеризующегося высокоскоростным обновлением поверхности контакта фаз струями, формируемыми при прохождении обрабатываемой системы через отверстия перфорированных тарелок.
Обеспечение зазора между стенкой корпуса и наружным диаметром тарелки не более 2 мм позволит значительно повысить гидравлическое сопротивление в зазоре, что в свою очередь увеличивает перепад давления по обе стороны тарелки, тем самым повышая энергию струи и создавая активный гидродинамический режим, характеризующийся высокой скоростью обновления поверхности контакта фаз и высокой интенсивностью массообмена. Для повышения рабочего перепада давления возможно уменьшение величины зазора, однако при этом возрастает вероятность его засорения фрагментами твердой фазы, что в свою очередь может привести к увеличению затрат энергии на создание возвратно-поступательного движения насадки и снижению устойчивости работы аппарата.
Предлагаемое техническое решение позволит создать условия, при которых перепад давления по обе стороны перфорированной тарелки будет выше, чем при использовании однонаправленной отбортовки. Следует учитывать, что использование однонаправленной отбортовки той же общей высоты приведет к формированию гидродинамического режима, при котором время образования струй будет меньше периода колебаний вибрационной насадки. Вследствие чего частицы твердой и жидкой фаз будут двигаться параллельно друг относительно друга без взаимного перемещения, что замедляет скорость обновления поверхности контакта фаз. Обеспечение зазора между стенкой корпуса и наружным диаметром тарелки не более 2 мм также способствует созданию требуемого перепада давления по обе стороны тарелки.
Увеличение энергии струй позволит расширить диапазон нагрузок аппарата по твердой фазе, поскольку снизится вероятность накопления твердой фазы по обе стороны перфорированных тарелок.
Положительный эффект от предлагаемого технического решения заключается в расширении диапазона устойчивой работы, повышении производительности и эффективности осуществляемых процессов в вибрационном аппарате.
Литература
1. Вибрационные массообменные аппараты / И.Я. Городецкий, А.А. Васин, В.М. Олевский, П.А. Лупанов. Под ред. В.М. Олевского. - М.: Химия. - 1980. - С.34-35.
2. А.Ф. Сорокопуд, П.П. Иванов, А.Е. Ворыханов. Вибрационный экстрактор. Патент №2434661. Опубл. в 27.11.2011, бюл. №33.