УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МАССОПЕРЕНОСА

Полезная модель относится к химической промышленности и может быть использована при производстве химических элементов и веществ.
Известно устройство для получения кремния из кремнефтористых соединений натрия и калия [Патент на изобретение США №4442082 «Process for obtaining silicon from fluosilicic acid» кл. МПК С01В 33/02. Дата подачи заявки 27.12.1982. Зарегистрирован 10.04.1984.].
2
6
4
Известное устройство состоит из внешнего и внутреннего корпусов, исходного реагента HSiF, капель щелочного металла с температурой на входе 523 К, реагента SiF под давлением от 0,5 до 5 атм. Быстрая реакция протекает при температуре от 433 1673 К.
Недостатком известного устройства является отсутствие рекомендаций по выбору конструкции, обеспечивающей оптимальный массоперенос.
8
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство выделения кремния [Патент на изобретение РФ №2181104 под названием «Способ выделения кремния». МПК С01В 33/033. Приоритет от 03.02.2000. Зарегистрирован 10.04.2002].
2
6
Устройство состоит из корпуса, внутри которого установлен контейнер с исходным реагентом в виде кремнефторида натрия NaSiF. Кольцевой зазор между контейнером и корпусом заполнен натрием.
Недостатком известного устройства является отсутствие рекомендаций по обеспечению оптимального режима работы устройства, обеспечивающего оптимальный массообмен.
Предложенное техническое решение позволяет исключить указанный недостаток, а именно, обеспечить оптимальный массоперенос.
Технический результат предложенного технического решения состоит в расширении его функциональных возможностей.
Для исключения указанного недостатка в устройстве для интенсификации массопереноса, состоящем из корпуса, внутри которого размещен контейнер с исходным реагентом, причем стенка, днище и (или) крышка контейнера выполнены пористыми, между корпусом и контейнером расположена смачивающая жидкость, предлагается:
- площадь ячейки стенки контейнера выбирать с учетом соотношения учитывающего максимальную плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, отношение молекулярной массы выделяемого вещества к молекулярной массе исходного вещества и эмпирические коэффициенты;
- максимальную площадь ячейки контейнера обеспечивать меньшей минимальной площади гранул исходного реагента;
- пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера обеспечивать в предложенном диапазоне.
В частном случае выполнения устройства предлагается контейнер усилить арматурой.
2
6
Принципиальная схема устройства интенсификации массопереноса представлена на фигуре 1. На фигуре приняты следующие обозначения: 1 - арматура; 2 - газовакуумная линия; 3 - исходный реагент (NaSiF); 4 - контейнер для загрузки исходного реагента; 5 - корпус; 6 - смачивающая жидкость.
Устройство для интенсификации массопереноса состоит из корпуса 5. Внутри корпуса 5 размещен контейнер 4 с исходным реагентом 3.
Стенка, днище и (или) крышка контейнера 4 выполнены пористыми.
Между корпусом 5 и контейнером 4 расположена смачивающая жидкость 6.
Площадь ячейки стенки контейнера 4 выбирают из соотношения:
1
0
1
2
2
2
-2
-4
где J - максимальная приведенная плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, мм; S - площадь ячейки стенки контейнера, контактирующей со смачивающей жидкостью, мм; a - эмпирический коэффициент; a - эмпирический коэффициент, мм; а - эмпирический коэффициент, мм
0
Диапазон площади ячейки стенки и днища контейнера 4 выбирают из условия, что плотность потока конечного реагента вещества составляет не менее 0,2 J. Оптимальный массоперенос осуществляется при выборе площади ячейки стенки и днища контейнера 4 в диапазоне, указанном в соотношении (2).
Максимальную приведенную плотность потока вещества определяют из соотношения:
1
0
2
где J - максимальная приведенная плотность потока вещества, выделяемого в результате химической реакции, мм; J - максимальная плотность потока вещества, выделяемого в
2
4
-2
-4
0
0
1
2
результате химической реакции, г/(ммс); b - эмпирический коэффициент, г/(ммc); k - отношение молекулярной массы выделяемого вещества к молекулярной массе исходного вещества; a - эмпирический коэффициент; а - эмпирический коэффициент, мм; а - эмпирический коэффициент, мм,
Максимальную площадь ячейки контейнера обеспечивают меньше минимальной площади гранул исходного реагента.
Пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера обеспечивают в соответствии с соотношением:
где ε - пористость стенки, днища и (или) крышки контейнера. Значение пористости стенки, днища и (или) крышки контейнера, равное 0,17 получено эмпирически.
В частном случае контейнер 4 усилен арматурой 1.
Устройство работает следующим образом.
Исходный реагент 3 помещают в контейнер 4 для загрузки исходного реагента 4. Затем контейнер 4 погружают в корпус 5. Полость корпуса 5 с контейнером 4 вакуумируют. Обеспечивают контакт исходного реагента 3 со смачивающей жидкостью 6 через ячейки стенки контейнера 4. В результате химической реакции между исходным реагентом 3 и смачивающей жидкостью 6 через ячейки контейнера 4 возникает поток вещества, образующийся в результате химической реакции.
Пример конкретного исполнения устройства
Устройство выполнено следующим образом.
2
6
3
3
2
Исходный реагент 3 - кремнефторид натрия (NaSiF). Насыпная плотность исходного реагента 3 составляет 1,5 г/см, плотность литого исходного реагента 3-2,5 г/см. Минимальная площадь поперечного сечения гранул исходного реагента 3-0,2 мм. Масса исходного реагента 3 в контейнере 4 составляет 4,9 г, а масса натрия между корпусом 5 и контейнером 4-240 г.
2
2
2
2
6
Контейнер 4 выполнен из стали 10Х18Н10Т. Диаметр и высота пористой боковой стенки контейнера 4 равны соответственно 20 мм и 25 мм. В качестве боковой стенки контейнера 4 использована сетка со следующими характеристиками: площадь ячейки 0,12 мм, толщина утка и основы, соответственно, 0,12 мм и 0,18 мм. Общая площадь наружной поверхности контейнера 4 равна 1570 мм, а суммарная площадь контакта NaSiF с натрием 900 мм.
3
2
Днище контейнера 4 имеет диаметр 20 мм. Крышка контейнера 4 отсутствует. Объем контейнера 4 составляет 7800 мм. Пористость боковой стенки и днища контейнера 4 составляет 0,48. Выбранная по формуле (1) площадь ячейки контейнера составляет 0,12 мм.
0
0
1
2
-11
4
-2
-4
При расчете по указанной формуле использованы следующие коэффициенты: k=0,15, b=10 г/(ммс), a=0,021, a=-0,847 мм, а=13,225 мм.
-12
2
-12
2
0
1
При этом плотность потока кремния J=1,88·10 г/(ммс), максимальная плотность потока кремния J=7,09·10 г/(ммс), максимальная приведенная плотность потока кремния J=0,709 мм.
Корпус 5 устройства выполнен из стали 10Х18Н10Т и имеет внутренний диаметр и высоту соответственно равные 70 мм и 800 мм.
Смачивающая жидкость 6 - натрий, очищенный от примесей методом отстаивания в емкости при температуре 376 К. Чистота использованного натрия составляла 99,95%. Содержание кислорода в натрии составляет около 10 мг/кг.
Температура натрия в кольцевом зазоре между корпусом 5 и контейнером 4 составляет 434-503 К.
2
6
2
Размер гранул NaSiF составляет 0,2 мм.
Стенка контейнера 4 усилена арматурой 1 в виде верхнего и нижнего металлических колец с внутренними диаметрами по 20 мм, толщиной - по 5 мм, соединенных между собой прутками диаметром 3 мм, расположенными вдоль наружной поверхности контейнера 4.
Представленная на фиг.2 зависимость плотности потока кремния от площади ячейки контейнера использована для получения эмпирических коэффициентов в соотношении (1) и (2).