ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ МАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ
ROTARY MASS EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к оборудованию для проведения массообменных процессов, осложненных химическими превращениями, как в системах "жидкость-твердое", так и в системах "жидкость-жидкость" и может быть использовано в химической, фармацевтической, биотехнологической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для смешения жидкостей и проведения жидко-фазных химических реакций в тонкой пленке (А.с. №264345, опубл. 03.03.1970 г.), содержащее вращающийся ротор, средства ввода реагентов, средство приема реагентов, средство вывода продуктов реакции.
Данное устройство имеет ряд недостатков. В частности, межфазный контакт на внутренней поверхности ротора осложнен механическим срывом пленки от работающей форсунки. Не исключается попадание готовой смеси в расходную емкость. Конструкция не позволяет осуществлять контакт между жидкой и твердой фазами, что ограничивает область ее применения. Кроме того, устройство не обеспечивает вывод реакционной массы под некоторым избыточным давлением.
Известна конструкция центробежного, так называемого черпакового насоса (К.Н.Спасский и В.В.Шаумян "Новые насосы для малых подач и высоких напоров", М., Машиностроение, 1973 г., с.6-12), содержащего корпус, в котором находится ротор, имеющий тороидальную часть и днище, оснащенное крыльчаткой, заборное устройство, выполненное из профилированной трубки, обращенной своим торцом навстречу потоку жидкости.
В связи с тем, что указанная конструкция является исключительно транспортирующим устройством, она также имеет недостатки. В частности, ограниченную область применения, т.к. ее нельзя использовать в качестве технологического аппарата для проведения массообменных процессов в системе "жидкость-твердое", а также в системах, осложненных химическими превращениями из-за отсутствия устройств, подводящих тепло к ротору или отводящих от него, что не позволяет варьировать температурный режим процесса и характеризует аналог, как имеющий ограниченные эксплуатационные возможности. Наконец, время пребывания массы в роторе, обусловленное конструктивными особенностями, может оказаться недостаточным для обеспечения полноты межфазного взаимодействия.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ротационный аппарат для взаимодействия жидкости с порошкообразными веществами (А.с. СССР №465213, опубл. 30.03.1975 г.), содержащий корпус с крышкой, приводной вал с ротором, комплект концентрично размещенных по отношению друг к другу роторных и статорных цилиндров, имеющих радиальные каналы, средства ввода реагентов, закрепленное в крышке средство приема реагентов в виде цилиндра, средство вывода продуктов реакции.
Указанную конструкцию нельзя признать технически совершенной, поскольку она достаточно сложна и громоздка, ее эксплуатация предполагает наличие дополнительного оборудования для подачи пылевоздушной смеси и системы очистки отработанного воздуха. Кроме того, в процессе работы форсунка может забиваться агрегатами частиц, присутствующими в исходном материале или образующимися в ее каналах под воздействием увлажненной атмосферы, что снижает надежность функционирования и вызывает необходимость дополнительной подготовки твердой фазы и периодической очистки каналов форсунки. В конструкции аппарата не решен вопрос, связанный с подводом тепла к рабочим органам или, наоборот, его отводом, что не позволяет поддерживать требуемый температурный режим процесса при смене агрегатного состояния смешиваемых веществ в процессе использования известного устройства в соответствии с существующей потребностью, а также при проведении процессов, осложненных химическими превращениями. В известном устройстве отсутствует возможность вывода реакционной массы под избыточным давлением для непосредственного транспортирования. Т.е. прототип имеет ограниченные область применения и эксплуатационные возможности.
Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции компактного, технологически эффективного центробежного массообменного аппарата с расширенными эксплуатационными возможностями и удобствами для проведения процессов химического взаимодействия и в системах "жидкость-твердое" и в системах "жидкость-жидкость", даже в случаях проведения процессов, осложненных химическими превращениями, путем интенсификации и осуществления полноты межфазного взаимодействия и одновременного обеспечения возможности как температурной, так и конструктивной корректировки условий его проведения в соответствии с существующей потребностью, позволяющего при этом достичь безопасности и надежности функционирования.
Поставленная задача решается предложенным центробежным массообменным аппаратом, содержащим корпус с крышкой, приводной вал с ротором, комплект концентрично размещенных по отношению друг к другу роторных и статорных цилиндров, имеющих радиальные каналы, средства ввода реагентов, закрепленное в крышке средство приема реагентов в виде цилиндра, средство вывода продуктов реакции. Особенность заключается в том, что ротор закреплен непосредственно на валу, выполнен комбинированным из тороидальной части и жестко соединенного с ней открытым торцом большего диаметра усеченного конуса с глухим дном, при этом крышка частично утоплена во внутренний объем ротора и выполнена фигурной таким образом, что ее верхняя горизонтальная часть контактирует с корпусом, коническая часть коаксиальна конической части ротора с образованим зазора между ними, а дно жестко соединено со средством приема реагентов, причем в пределах конусной части крышки ее наружные поверхности и поверхность средства для приема реагентов оснащены плоской приварной рубашкой, внутреннее пространство которой сообщается со средствами ввода и вывода теплоносителя или хладагента, статорные цилиндры закреплены на внутренней поверхности дна крышки, средство вывода продуктов реакции выполнено в виде трубки, закрепленной в горизонтальной части крышки, контактирующей с корпусом, при этом ее заборная часть введена в тороидальную часть ротора, а плоскость входного сечения размещена под углом 30-45° к ее образующей.
В частности, в случаях повышенной вязкости жидкой фазы и/или значительной концентрации твердой фазы в суспензии для увеличения скорости подачи реакционной массы через аппарат, между внутренней поверхностью дна крышки и внешней поверхностью дна ротора соосно последнему размещают крыльчатку открытого типа.
В частности, при проведении массообменных процессов, осложненных большим тепловыделением (нитрация, сульфирование и т.д.), для увеличения площади теплопередающей поверхности в аппарате и интенсификации теплообменных процессов за счет дополнительного динамического воздействия на проходящую через зазор между конической частью ротора и конической частью крышки реакционную массу, внутреннюю поверхность конической части крышки снабжают ребрами, расположенными по ее образующей.
В частности, при проведении массообменных процессов в системе "жидкость-твердое" для исключения возможности термического разложения твердой фазы, особенно если ее плотность существенно меньше плотности жидкой фазы, средство приема реагентов оснащают конфузором, причем одно из средств ввода реагентов ориентируют на центральную часть конфузора, а второе на его периферийную часть.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа иной компоновкой конструктивных элементов; иным конструктивным выполнением ротора - комбинированным из усеченного конуса с глухим дном и тороидальной части (в прототипе - воронка); иной фигурной формой крышки (в прототипе - плоская), иным взаимным расположением ротора и крышки - крышка частично утоплена во внутренний объем ротора (в прототипе - они значительно разнесены между собой, между ними полость конусообразной части кожуха, в которой аккумулируется отработанный воздух); наличием плоской приварной рубашки; наличием системы подвода и отвода тепла или холода к рабочим органам, которая имеет развитую поверхность; иным расположением роторных и статорных цилиндров - между внутренней поверхностью дна крышки и внешней поверхностью дна ротора (в прототипе - они размещены в рабочем пространстве ротационного аппарата, имеющего собственный корпус); иным конструктивным выполнением средства вывода продуктов реакции, позволяющим выводить реакционную массу под избыточным давлением для непосредственного транспортирования, - в виде трубки, заборная часть которой введена в тороидальную часть ротора (в прототипе - патрубок, которым оснащен корпус рабочего пространства ротационного аппарата).
Кроме того, в частных случаях использования массообменный аппарат оснащают такими конструктивными элементами, как крыльчатка, конфузор, расширяющими эксплуатационные возможности предлагаемого устройства, наличие которых прототип не предполагает.
Предлагаемая форма ротора позволяет обеспечить быстрое и равномерное распределение реакционной массы перед ее прохождением через радиальные каналы концентрично расположенных цилиндров. В этой зоне имеет место максимальное энергетическое воздействие на реакционную массу, проявляющееся в возникновении нестационарных течений, знакопеременных нагрузок, пульсации поля скоростей в потоке. Отмеченные факторы в значительной степени интенсифицируют процесс межфазного взаимодействия.
Наличие щелевой полости, образованной внутренними поверхностями конической части ротора и крышки аппарата, выравнивает поле скоростей в обрабатываемой среде и обеспечивает, тем самым, благоприятные условия теплообмена и выхода массы в тороидальную часть устройства.
Наличие средств ввода и вывода теплоносителя или хладагента позволяет корректировать температурный режим процесса, предотвращая нежелательные процессы при массообмене, особенно осложненном химическими превращениями.
Выполнение средства вывода продуктов реакции в виде трубки, плоскость входного сечения которой размещена под углом 30-45° к ее образующей, обеспечивает в указанном диапазоне оптимальные напорно-расходные характеристики аппарата. При углах, меньших 30°, резко снижается пропускная способность устройства, что ведет к переполнению аппарата реакционной массой. Напротив, при углах, превышающих 45°, наблюдается "осушение" тороидальной части ротора, что также нарушает нормальный режим эксплуатации аппарата.
Сравнение заявляемой конструкции с прототипом и другими техническими решениями показало, что центробежный массообменный аппарат, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков, неизвестен.
Но именно совокупность отличительных от прототипа признаков с остальными существенными признаками заявляемого решения позволила создать конструкцию, обладающую повышенными функциональными характеристиками.
Предлагаемая совокупность признаков позволяет организовать такой механизм взаимодействия фаз, при котором обеспечивается их безопасное контактирование в течение всего времени пребывания в аппарате, эффективный транспорт и диспергирование в рабочих органах аппарата с последующим подводом или отводом тепла от реакционной массы и надежный вывод продуктов реакции.
Заявляемая конструкция иллюстрируется графическими изображениями:
Фиг.1 - продольный разрез массообменного аппарата;
Фиг.2 - узел А на Фиг.1.
Центробежный массообменный содержит корпус 1 с крышкой 2, дно которой жестко соединено со средством 3 приема реагентов, поступающих от средств их ввода (условно не показаны), а в верхней горизонтальной части закреплена трубка 4 для вывода продуктов реакции. Средство приема реагентов 3 выполнено в форме вертикального цилиндра. Заборная часть трубки 4 введена в тороидальную часть ротора 5. Ротор 5 выполнен комбинированным и крепится непосредственно на приводном валу 6 аппарата. В донной части ротор 5 снабжен цилиндрами 7, имеющими радиальные каналы для прохода реакционной массы. Цилиндры 7 расположены концентрично по отношению к соответствующим статорным цилиндрам 8, закрепленным на внутренней поверхности дна крышки 2 и также имеющим радиальные каналы. Внутренние поверхности конических частей крышки 2 и ротора 5 аппарата образуют зазор 9 для прохода реакционной массы. В пределах конусной части крышки 2 ее наружные поверхности и поверхность средства 3 для приема реагентов оснащены плоской приварной рубашкой 10. Внутреннее пространство рубашки 10 сообщается со средством 11 ввода и средством вывода 12 теплоносителя или хладагента. В частных случаях использования аппарата между внутренней поверхностью дна крышки 2 и внешней поверхностью дна ротора 5 соосно последнему размещают крыльчатку 13. Внутренняя поверхность конической части крышки 2 может быть снабжена ребрами 14, расположенными по ее образующей. Кроме того, средство 3 приема реагентов может быть оснащено конфузором 15, причем одно из средств ввода реагентов ориентировано на центральную часть ротора 5, а второе на его периферийную часть. Для мойки или сброса реакционной массы в аварийных ситуациях аппарат снабжен технологическим патрубком 16.
Аппарат работает следующим образом.
Исходные компоненты, например, твердая и жидкая фазы, в определенном соотношении поступают во внутреннюю полость средства для приема реагентов 3, причем жидкая фаза подается в периферийную часть конфузора, а твердая - в центральную.
При этом образуется вращающийся слой жидкой фазы и центральная воронка, в которую энергично затягиваются агломераты твердой фазы. Такой принцип контактирования позволяет повысить безопасность процесса, исключить возможность термического разложения твердой фазы, особенно если ее плотность существенно меньше плотности жидкой фазы.
Реакционная смесь, поступая в донную часть вращающегося ротора 5 аппарата, лопастями крыльчатки 13 направляется к ее периферии. Проходя через периодически открывающиеся и закрывающиеся радиальные каналы цилиндров 7 и 8, реакционная смесь подвергается мощным динамическим нагрузкам, благодаря которым интенсифицируются процессы тепло- и массопереноса, возрастает степень превращения исходных компонентов.
Проходя далее через зазор 9, образованный внутренними поверхностями конических частей ротора 5 и крышки 2 аппарата, реакционная масса подвергается дополнительному механическому воздействию со стороны ребер 14, что обеспечивает ее гарантированный вывод в тороидальную часть ротора.
Подвод тепла или холода в зону реакции и их отвод осуществляется средством 11 ввода и средством вывода 12 теплоносителя или хладагента, сообщающихся с внутренним пространством рубашки 10.
Выходя из зазора 9, образованного внутренними поверхностями конических частей крышки 2 и ротора 5 аппарата, реакционная масса образует вращающийся слой в тороидальной части ротора 5. Введенная в этот слой трубка 4 обеспечивает надежный вывод продуктов реакции из аппарата под избыточным давлением для последующего транспортирования.
Работа аппарата для исходных компонентов в виде двух жидких фаз осуществляется аналогично. При этом ориентация средств ввода реагентов по отношению к конфузору не регламентируется.
Имеется опытный образец, прошедший проверку на практике. Таким образом, предлагаемая конструкция центробежного массообменного аппарата, предназначенного для проведения процессов, осложненных химическими превращениями, и в системах "жидкость-твердое" и в системах "жидкость-жидкость" в соответствии с существующей потребностью, технически реализуема и позволяет решить поставленную задачу.