УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ТВЕРДОЙ И ГАЗООБРАЗНЫХ ФАЗ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

Предполагаемая полезная модель относится устройствам для взаимодействия материала твердой фазы с газообразной фазой в жидкой среде в химико-технологических процессах и может быть использована в химической промышленности и в атомной энергетике при переработке ядерного топлива пирохимическим методом в расплавах солей.
Известны устройства для перемешивания жидкости с твердыми сыпучими материалами, с другими жидкостями или газами (абсорбция), содержащие емкость, в которую помещают мешалки различных конструкций. [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, Москва, 1971, с.258-273, 457-495].
Недостатки таких устройств - мала поверхность контакта адсортива с жидкостью, значительны энергетические затраты.
Наиболее близкое устройство к предлагаемой полезной модели, которое используют в настоящее время, является устройство для перемешивания с помощью барботера, по которому подают абсортив в расплав. [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - Москва, 1971, с.272]. Устройство содержит емкость, на дне которой размещены трубы с отверстиями, через которые подают газ.
Барботер совмещает функции перемешивания твердой фазы в жидкости и абсорбцию. Он имеет значительные недостатки - большой расход газа, например, инертного, а для высокотемпературных процессов это связано со значительными энергетическими затратами, так как газ необходимо нагревать до температуры жидкости, например, расплавленной соли (700°С). Кроме того, если в процессе перемешивания твердой фазы в расплавленных солях используют абсортив (газ-реагент), химически взаимодействующий с твердой фазой, то концентрация абсортива в соли
будет падать, и он будет безвозвратно теряться. Абсортив, например, хлор необходимо улавливать специальными устройствами, что также потребует значительных затрат.
При использовании этого устройства низок коэффициент полезного использования абсортива, требуются значительные затраты на улавливание неиспользуемого абсортива и захоронение продуктов процесса улавливания его, а также мала поверхность контакта абсортива с расплавленной солью, что приводит к большому расходу хлора, также удлиняется процесс перемешивания.
Для устранения вышеуказанных недостатков предлагается устройство для смешивания твердой и газообразной фаз в жидкой среде, жестко закрепляемое на крышке емкости для смешивания, содержащее, погруженный в жидкую среду, неподвижный стакан, стержень, коаксиально размещенный в стакане и оснащенный приводом для его вращения, причем стакан имеет отверстия в дне и в боковой стенке, и спиральные углубления на внутренней поверхности стакана, а в крышке емкости имеется отверстие для подачи газа.
Спиральные углубления могут располагаться также и на стержне.
Вращающийся шероховатый стержень в жидкости с помощью ее вязкости вовлекает ее во вращательное движение. Жидкость между стержнем и неподвижным стаканом по спиральным углублениям, которые дают направление движения ей, опускается вниз, увлекает за собой абсортив, он поступает из газовой зоны аппарата через верхние отверстия неподвижного стакана. Абсортив в газовую зону аппарата поступает через отверстие в крышке аппарата. У жидкости, находящейся между вращающимся стержнем и неподвижным стаканом, имеются составляющие скорости концентрическая и вертикальная. По толщине слоя ее величина изменяется от нуля до величины скорости вращения стержня, кроме того, жидкость, имеющая вязкость и инерцию движения, перетекает из одного спирального углубления в другое через возвышения, при этом образуются мелкодисперсные капли в абсортиве, что увеличивает скорость абсорбции.
Расход жидкости через концентрический зазор между вращающимся стержнем и неподвижным стаканом обеспечивают отверстия в стенке неподвижного стакана, которые размещены в зоне жидкости. Поступающая жидкость через отверстия в стенке неподвижного стакана и абсортив, который увлекается движущейся жидкостью в кольцевом зазоре с помощью вращающегося стержня и спиральных выступов и углублений, создают массу мелких пузырьков абсортива в жидкости.
Таким образом, образующиеся капельки жидкости в абсортиве, создающиеся пузырьки абсортива в жидкости усиливают процесс абсорбции.
Торец вращающегося стержня играет роль элемента улитки центробежного насоса. Жидкость поступает через отверстие в дне стакана из объема аппарата и с помощью вращающегося торца стержня выбрасывается через тангенциальные отверстия в стенке неподвижного стакана в аппарат. Жидкость, двигаясь по направляющим ее спиральным углублениям, имея концентрическую составляющую скорости, также выбрасывается через тангенциальные отверстия в стенке стакана. Эффект перемешивания твердой фазы в объеме аппарата создает движение жидкости из объема аппарата через отверстие в дне стакана и ее выброс с помощью вращающегося торца стержня в объем аппарата через тангенциальные отверстия. Усиливает эффект перемешивания, кроме того, движение жидкости из объема аппарата через отверстия в стенке стакана, сообщение ей вращательного движения с помощью вращения стержня в кольцевом зазоре, доставка ее с помощью спиральных впадин и выступов на дно стакана, и выброс ее через те же тангенциальные отверстия.
На прилагаемом рисунке показано устройство для перемешивания твердой и газообразной фаз в жидкой среде, где: 1 - емкость с жидкой и твердой фазой; 2 - крышка емкости; 3 - отверстие в крышке для подачи газа; 4 - неподвижный стакан; 5 - отверстия для входа газа; 6 - отверстия для входа жидкости; 7 - отверстия тангенсальные для выхода жидкости насыщенной газами; 8 - стержень.
Устройство жестко закрепляют на крышке (2) емкости (1) - аппарата где происходит смешивание, например электролизере, помещают в емкость твердые и жидкие среды, закрывают крышку и приводят в движение стержень. Вращающийся в жидкости стержень (8) вовлекает ее во вращательное движение. Жидкость между стержнем и неподвижным стаканом (4) по спиральным углублениям, которые дают ей направление движения, опускается вниз, увлекает за собой абсортив, который поступает из газовой зоны аппарата через верхние отверстия (5) неподвижного стакана. Абсортив, для возмещения его расхода, в газовую зону аппарата поступает через отверстие (3) в крышке аппарата. Поступление жидкости в концентрический зазор между вращающимся стержнем и неподвижным стаканом обеспечивают отверстия (6) в стенке неподвижного стакана, которые размещены в зоне жидкости. Поступающая жидкость через отверстия в стенке неподвижного стакана и абсортив, который увлекается движущейся жидкостью в кольцевом зазоре с помощью вращающегося стержня и спиральных выступов и углублений, создают массу мелких пузырьков абсортива в жидкости, что приводит к увеличению межфазной поверхности со стороны газовой фазы и жидкости.
Направления движений твердой фазы, абсортива и жидкости в аппарате показаны на рисунке.
Таким образом, эффект перемешивания твердой фазы в жидкости с помощью устройства в объеме аппарата, интенсивная абсорбция газа жидкостью, создают условия увеличения скорости химического взаимодействия газа с твердой фазой.
Абсортив в виде пузырьков из жидкости может возвратиться в газовый объем аппарата, и он будет готов многократно пройти путь абсорбции в жидкости, увеличивая коэффициент полезного его использования, и снимает нагрузку на систему его поглощения.