Сатуратор

Предлагаемая полезная модель относится к массообменным процессам насыщения жидкости газом и может найти применение в пищевой, химической, биотехнологической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Известны пульсационные ситчатые колонны, в которых пульсации осуществляются с помощью вибрирующих внутри колонны перфорированных тарелок, укрепленных на общем штоке, которому сообщают возвратно-поступательное движение посредством специального механизма (пульсатора), находящегося вне колонны, при этом создаваемые пульсатором колебания передаются гидравлически на тарелки с жидкостью [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов / А.Г. Касаткин. - 14-е изд., стереотипное. - М.: ООО ИД «Альянс», 2008. - С. 545].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность массопереноса через границу раздела фаз газовых пузырьков и жидкости, когда жидкость имеет высокую вязкость, а также необходимость увеличения подводимой дополнительной внешней энергии, что приводит к снижению производительности колонны.
Известен массообменный аппарат, содержащий корпус, перфорированные тарелки с переливными патрубками и упорными пластинами, имеющие возможность вертикального перемещения, кольцевые желоба, жестко закрепленные на внутренней боковой поверхности корпуса в местах установки тарелок, на которых равномерно по окружности, соосно с упорными пластинами установлены опорные пластины, причем на краях тарелок по окружности закреплены кольца диаметром, равным среднему диаметру желоба, а между опорными и упорными пластинами установлены пружины, при этом для создания переменной жесткости витки пружины выполнены в виде конической спирали с постоянным шагом [Полезная модель к патенту РФ №150524, B01 3/00, 2015].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся неоднозначность определения собственной частоты колебаний газа между тарелками, что накладывает дополнительные ограничения на расстояние между тарелками и на выбор коэффициента жесткости пружин, и соответственно приводит к снижению производительности.
Известен аппарат для взаимодействия жидкостей различной плотности, содержащий колонну с закрытым пространством, впускные трубопроводы для подвода жидкости, выпускные трубопроводы для отвода жидкости, диспергирующе-смешивающие диски, разделяющие колонну на отсеки, и пульсатор, соединенный с нижней частью колонны, диспергирующе-смешивающие диски состоят из двух частей, отделенных одна от другой по пилообразной линии с образованием зазора, при этом одна часть дисков жесткая, а другая эластичная и имеет язычки [Патент РФ №2033839, B01D 11/04, 1995].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции аппарата, что приводит к увеличению времени его технического обслуживания и снижению производительности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и выбранному за прототип является сатуратор, содержащий цилиндрический корпус с коническим днищем, размещенные внутри корпуса перфорированные перегородки, причем перфорированные перегородки выполнены в виде упругих мембран с целью предотвращения отложений на перегородке [Патент СССР №1428766, С13D 3/04, 1988].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная амплитуда колебаний жестких мембранных тарелок при вязких и суспендированных жидкостях, что приводит к снижению производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции массообменного аппарата является увеличение производительности за счет создания резонансного режима колебаний мембранных тарелок.
Поставленный технический результат достигается тем, что сатуратор содержит цилиндрический корпус с коническим днищем, имеющий патрубки для подвода жидкости и сатурационного газа и патрубки отвода отсатурированной жидкости и сатурационного газа, размещенные внутри корпуса по высоте перфорированные перегородки, выполненные в виде упругих мембран, при этом к коническому днищу присоединено выходное отверстие пульсационной камеры с частотой пульсаций, равной собственной частоте колебаний упругих мембран:
где f - частота колебаний упругих мембран, Гц;
max
Z - максимальный прогиб мембраны, м;
P - давление, действующее на мембрану, Па;
3
ρ - плотность материала мембраны, кг/м;
δ - толщина мембраны, м.
Установка к коническому днищу сатуратора выходного отверстия пульсационной камеры с частотой пульсаций, равной собственной частоте колебаний упругих мембран, позволяет проводить процесс массообмена в резонансном режиме, что увеличивает частоту колебаний упругих мембран и делает их применимым для вязких и охлажденных рабочих сред, повышая производительность. Пульсатор подбирается в зависимости от геометрических размеров сатуратора и от технологических свойств контактируемых фаз.
Выполнение перфорированных перегородок в виде упругих мембран позволяет проводить процесс массообмена в интенсивном динамическом режиме. Вибрирующие мембраны, разбивая границы раздела фаз, увеличивают поверхность контакта газовых пузырьков с жидкостью. При резонансной вибрации вынужденных колебаний пульсатора и собственных колебаний мембранных перегородок происходит непрерывное очищение узлов сатуратора от отложений, что позволяет его применять для суспендированных рабочих сред, повышая производительность.
Круглая мембрана, зажатая по периметру, представляет собой колебательный элемент, имеющий собственную частоту колебаний. Мембрана выполнена в виде жесткой диафрагмы. Коэффициентом жесткости при изгибе мембраны, как правило, пренебрегают, так как толщина мембраны гораздо меньше ее радиуса. Приложенное давление к одной из сторон мембраны сферически прогибает ее. Собственную частоту колебаний круглой мембраны определяют по выражению (1) [Дж. Фрайден. Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005. C. 363].
На чертеже представлена заявленная конструкция сатуратора в разрезе.
Сатуратор содержит цилиндрический корпус 1 с коническим днищем 2, имеющим патрубок 3 для подвода сатурационного газа и патрубок 4 для отвода отсатурированной жидкости. В цилиндрическом корпусе 1 установлены перфорированные перегородки 5, выполненные в виде упругих мембран. В верхней части цилиндрического корпуса расположен патрубок 6 для подвода рабочей жидкости. Для подачи сатурируемой жидкости в виде каскада под патрубком 6 подвода жидкости расположен зонт 7. В верхней части аппарат снабжен ловушкой 8 и патрубком отвода сатурационного газа 9. К коническому днищу 2 сатуратора присоединено выходное отверстие пульсационной камеры 10. Отсатурированная жидкость отводится в контрольный ящик 11.
Сатуратор работает следующим образом. Жидкость поступает по патрубку 4 на конический зонт 7 и в виде каскада стекает вниз на верхнюю перфорированную перегородку 5, стекает через ее отверстия на низ лежащую перфорированную перегородку 5. Перфорированные перегородки 5, выполненные в виде мембран, под действием давления жидкости сферически прогибаются, провисают. Сатурационный газ по патрубку 3 поступает под нижнюю перфорированную перегородку 5. Проходя через отверстия перфорированных перегородок 5, газ диспергирует через слой жидкости на мембранных перегородках 5, и далее отводится через ловушку 8 по патрубку отвода 9.Включают пульсатор в пульсационной камере 10, который обеспечивает необходимую интенсивность пульсаций с настроенной вынужденной частотой колебаний, соответствующей собственной частоте колебаний мембран, описываемой выражением (1). Во время работы сатуратора, под действием потоков сатурируемой жидкости и газа, перфорированные перегородки 5 деформируются, то есть колеблются вверх-вниз. Равенство частоты пульсаций, создаваемых в пульсационной камере 10, и собственной частоты колебаний перфорированных перегородок 5 приводит к резонансным колебаниям перегородок 5 с большой амплитудой, вызывая турбулизацию на границе раздела фаз жидкости, стекающей вниз, и газа, поднимающегося вверх. Такой резонансный режим колебаний перфорированных перегородок 5интенсифицирует процесс массопереноса между жидкой и газовой фазами и приводит к повышению производительности сатуратора.
Динамический режим работы мембранных перегородок 5 с большой амплитудой колебаний исключает зарастание отверстий перегородок и дает возможность применения сатуратора для суспендированных и вязких жидкостей.
Разработанная конструкция сатуратора может применяться для насыщения диоксидом углерода различных напитков. Высокое содержание диоксида углерода обеспечивает продолжительность сохранения вкуса и аромата напитка, а также предохраняет его от порчи. Предлагаемый сатуратор применим для очистки сахаросодержащих суспендированных растворов в сахарном производстве. Получаемый резонансный режим колебательной системы обеспечивает высокую интенсивность массообмена между дефекованным соком и сатурационным газом по всему объему жидкости.
Таким образом, присоединение к коническому днищу 2 сатуратора выходного отверстия пульсационной камеры 10, интенсивность пульсаций которой совпадает с собственной частотой колебаний мембранных перегородок 5 и подчиняется выражению (1), позволяет проводить массообменный процесс в высокотурбулентном динамическом режиме с большой амплитудой колебаний, предотвращает образование отложений на внутренних узлах сатуратора, интенсифицирует процесс массопереноса, что в целом повышает его производительность.