ВИБРАЦИОННАЯ КОЛОННА

Полезная модель относится к области химической и радиохимической промышленности, в частности, к конструкции массообменной колонны с вибрационным перемешиванием, которая может быть применена для массообменных процессов в жидких средах, в частности экстрагирования и абсорбции материалов, содержащих делящиеся радиоактивные компоненты.
2
Известна вибрационная массообменная колонна для процессов экстрагирования и абсорбции / [Авторское свидетельство СССР №697139. М. Кл В 01 D 11/00], выполненная в виде вертикального цилиндрического корпуса, в полости которого соосно установлена вибромешалка, представляющая собой шток, снабженный насадками, имеющими форму плоских перфорированных и конических дисков. Шток верхним концом присоединен к виброприводу, создающему вертикально направленные колебания штока с дисками. Недостатком указанной колонны является то, что ее применение ограничено, поскольку может обеспечить ядерную безопасность аппарата лишь при небольшой его производительности.
2
Известен также кольцевой вибросмеситель для массообменных процессов, в частности, для работы с делящимися радиоактивными материалами [Авторское свидетельство СССР №1208632. М. Кл. В 01 F 11/0], выполненный в виде цилиндрического корпуса, в полости которого посредством мембран соосно подвешена цилиндрическая обечайка. служащая вибромешалкой, снабженная для этого перемешивающими элементами кольцевой формы и присоединенная к вибровозбудителю ее вертикально направленных колебаний. Мембраны, установленные вверху и внизу корпуса вибросмесителя, образуют его рабочую полость. Недостаток вибросмесителя данной конструкции - недостаточный ресурс работы
указанных мембран, требующий их частого осмотра и периодической замены во избежание вытекания материалов из рабочей зоны аппарата.
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству вибрационной колонны является выбранная в качестве прототипа известная вибрационная колонна [Авторское свидетельство СССР №1300700. М. Кл. В 01 D 11/04], предназначенная, в частности, для проведения процессов экстракции и абсорбционной очистки материалов, содержащих делящиеся радиоактивные элементы, обеспечивающая ядерную безопасность при эксплуатации. Известная вибрационная колонна имеет полый цилиндрический корпус, в полости которого соосно установлена вибромешалка, выполненная в форме полого цилиндра, снабженная перфорированными насадками кольцевой формы и присоединенная верхним концом к вибровозбудителю ее вертикальных колебаний по оси корпуса. В полости вибромешалки установлена поглощающая вставка, обеспечивающая ядерную безопасность аппарата при переработке в нем делящихся радиоактивных материалов.
Недостатком указанного устройства известной вибрационной колонны-прототипа является то, что поглощающая вставка, встроенная в полость вибромешалки, увеличивает ее массу, а следовательно приводит к необходимости применения более мощного вибровозбудителя или ограничения производительности аппарата, а также усложняет его конструкцию. Кроме того, устройством вибромешалки прототипа не предусмотрены конусообразные насадки, обеспечивающие уменьшение продольного перемешивания материалов, снижающего эффективность массопередачи, и насадка, препятствующая выходу из аппарата неразделенной эмульсии или пены, а также устройства для отделения брызг, что также снижает эффективность аппарата.
Техническая задача, решаемая заявленной вибрационной колонной, состоит в повышении эффективности, экономичности и надежности ее использования в массообменных процессах, в частности, экстрагировании и
очистке газа от примесей агрессивных и ядовитых материалов, при эксплуатации с использованием делящихся радиоактивных элементов.
Для решения поставленной задачи вибрационная колонна для массообменных процессов в жидких средах содержит полый, вертикально установленный цилиндрический корпус с патрубками для ввода и вывода реагентов, в полости которого соосно установлена полая цилиндрическая вибромешалка, снабженная поглощающей вставкой, насадками кольцевой формы и присоединенная к вибровозбудителю ее колебаний вдоль оси корпуса, причем поглощающая вставка выполнена цилиндрической, установлена в полости вибромешалки с зазором относительно ее внутренней стенки и жестко прикреплена к корпусу колонны, на внешней стенке вибромешалки между патрубком ввода тяжелого материала и патрубком вывода легкого материала закреплен отражатель кольцевой формы, а корпус снабжен коллектором для ввода легкого материала и сепаратором для его вывода.
В частном варианте, насадки выполнены плоскими перфорированными и конусообразными в поперечном сечении и прикреплены с одинаковым шагом в чередующемся между собой порядке к наружной боковой поверхности вибромешалки.
В другом частном варианте, для работы с радиоактивными материалами, вибрационная колонна имеет зазор между поверхностями ее корпуса и вибромешалки равный 40-100 мм.
В третьем частном варианте, вибрационная колонна имеет площадь проходного поперечного сечения от 20 до 55% кольцевой площади, образуемой корпусом и вибромешалкой.
Предлагаемая вибрационная колонна, реализованная для процесса очистки (в непрерывном режиме) отходящих газов аппаратов химической переработки радиоактивных материалов от агрессивных и ядовитых примесей (в частности, хлора и его газообразных соединений) методом
абсорбции раствором гидроксида натрия, схематически, в разрезе по вертикальной плоскости, представлена на фигуре.
Вибрационная колонна имеет: корпус 1, установленный на несущей конструкции аппарата (на фигуре не показана); вибромешалку 2 с днищем, верхней частью посредством штока 3 присоединенную к вибровозбудителю 4; сепаратор 5; поглощающую вставку 6, жестко прикрепленную к кронштейнам 7 корпуса 1. Вибромешалка 2, выполненная в форме полого цилиндра, снабжена кольцевыми насадками -конусообразными 8, чередующимися с плоскими 9, имеющими перфорации, равномерно расположенные на их поверхности, нижняя плоская перфорированная насадка 10 снабжена бортиком, направленным вниз, а над насадками установлен отражатель 11 кольцевой формы. Сепаратор 5, выполненный в виде цилиндра с коническим днищем, снабжен трубкой 12 слива накопившейся в нем тяжелой фазы и патрубком 13 вывода легкой фазы. Корпус 1 оснащен патрубками: ввода тяжелой фазы 14 и ее вывода 15. Последний снабжен устройством 16 (например, гидрозатвором) для автоматического поддержания уровня смеси фаз в полости корпуса 1, а также - коллектором 17 легкой фазы, вводимой в рабочую полость корпуса 1 через патрубок 18. Рабочая полость 19 аппарата герметизирована мембраной 20.
Вибрационная колонна при ее использовании, например, в качестве абсорбера, работает следующим образом. Полость корпуса 1 заполняют через патрубок 14 абсорбентом до уровня, соответствующего высоте гидрозатвора 16, включают вибровозбудитель 4, устанавливают требуемую амплитуду вибрации штока 3 с вибромешалкой 2 (по показаниям амплитудомера) и производят подачу с заданными расходами исходных материалов - газа через патрубок 18 и перфорированный коллектор 17 и абсорбента через патрубок 14 - в полость корпуса 2 и вывод отработавших материалов через патрубки 13 и 15. Под действием вибрации насадок 8, 9, и 10 вибромешалки 2 введенная и равномерно распределенная по сечению полости колонны легкая фаза (газ) интенсивно диспергируется и перемешивается с жидкой фазой
(абсорбентом) вследствие того, что колебания вибромешалки вдоль оси аппарата приводят к дроблению газа и циклическому вытеснению его смеси с абсорбентом через отверстия насадок 9 с образованием высокоскоростных струй. Образующиеся струи смеси материалов подсасывают жидкость, примыкающую к поверхности перфорированных насадок, и движутся к смежным конусообразным насадкам 8. Последние дополнительно диспергируют легкий материал и создают циркуляционные контуры смеси по высоте колонны, уменьшающие продольное перемешивание, а следовательно увеличивающие эффективность массопередачи. Вследствие разности плотностей материалов (под действием гравитационных сил) тяжелый материал (абсорбент) движется к выходному патрубку 15, а легкий (газ) поднимается к патрубку, ведущему в сепаратор 5. Отражатель 11 препятствует пенообразованию, разделяя газожидкостную эмульсию, а сепаратор 5 отделяет от газа захваченные им брызги абсорбента. Последний по трубке 12 возвращается из сепаратора в рабочую полость 19 корпуса 2, а газ по патрубку 13 выходит из аппарата. Мембрана 20 предотвращает проникновение контактирующих материалов за пределы рабочей полости 19, допуская при этом свободные колебания вибромешалки 2 относительно корпуса 1 аппарата. Поглощающая вставка 6 задерживает радиоактивное излучение, обеспечивая тем самым ядерную безопасность аппарата. Кронштейны 7 жестко закрепляют вставку 6 на корпусе 1 и обеспечивают равномерный зазор между ее стенками и вибромешалкой 2.
3
2
Проведенные испытания показали, что заявляемая вибрационная колонна позволяет проводить очистку абсорбцией раствором гидроксида натрия отходящих газов с удельной производительностью до 1000 м/м*ч от примеси хлора при одинаковом шаге между насадками, при зазоре между поверхностями корпуса и вибромешалки (ширине кольцевой полости колонны) 40-100 мм и проходном поперечном сечении колонны от 20 до 55% кольцевой площади, образуемой корпусом и вибромешалкой.
3
В заявленной полезной модели зазор между стенками корпуса и вибромешалки составлял 80 мм, диаметр перфораций в насадках 9 составляет 6 мм, доля площади перфораций насадок 9 составляет 8%, скорость колебаний вибромешалки - 0,45 м/с, высота рабочей зоны колонны - 0,85 м. Степень очистки газа от хлора составляла 99,99%, коэффициент очистки - не менее 10.
Таким образом, использование заявляемой полезной модели позволит:
существенно улучшить взаимное контактирование поступающих в колонну материалов, благодаря чему повысить эффективность массопередачи;
снизить потери тяжелой фазы с выходящей из аппарата легкой фазой;
значительно уменьшить массу вибромешалки за счет отключения от нее поглощающей вставки и, следовательно, использовать менее мощный, то есть более экономичный в работе вибровозбудитель.