Аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах
APPARATUS FOR CONDUCTING MASS EXCHANGING AND REACTION PROCESSES IN SINGLE-PHASE AND MULTI-PHASE MEDIA

Изобретение относится к химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и другим отраслям промышленности, и может быть использовано для перемешивания, обработки гетерогенных систем жидкость-жидкость, жидкость-газ, жидкость-твердые частицы, и жидкость-газ-твердые частицы в различных технологических процессах, таких как абсорбция, газожидкостные реакции, эмульгирование, жидкостная экстракция, растворение твердых частиц (в том числе с химической реакцией), выщелачивание, пропитка и т.п.
Известно устройство для интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных системах, реализованное в аппарате для растворения твердых частиц в жидкости (Аксельруд Г.А. Массообмен в системе твердое тело-жидкость. Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1970. - С.155), в котором жидкость, несущая твердые частицы, движется по трубе, площадь которой переменна по длине трубы. При этом труба состоит из множества последовательно соединенных элементов одинаковой формы, состоящих из двух частей: одна часть каждого элемента представляет собой веретенообразное полое тело, вторая - горловину цилиндрической формы. При движении в такой трубе жидкость постоянно меняет свою скорость. Твердые частицы также периодически меняют скорость своего движения, то отставая от ускоряющейся в узком сечении жидкости, то опережая затормаживающуюся в широком сечении жидкость. Вследствие инерции твердых частиц в трубе создается дополнительная скорость относительного движения фаз, способствующая возрастанию коэффициента массоотдачи. Однако такой инерционный эффект возможен лишь при наличии ненулевой разности плотностей твердой либо жидкой (дисперсная фаза) и жидкой сред (сплошная фаза), а значительным он будет при существенном отличии этих плотностей. Исследования показали (A.N. Phan, A. Harvey, Development and evaluation of novel designs of continuous mesoscale oscillatory baffled reactors, Chemical Engineering Journal, 159 (2010) 212-219), что известное устройство обладает далеко не оптимальной геометрией. В частности, было показано, что распределение времени пребывания в таком аппарате довольно широкое, что приводит к большой неравномерности воздействия на гомогенные и гетерогенные среды, находящиеся в аппарате. В результате этого получаемый на выходе из аппарата продукт может состоять из нескольких веществ (при проведении химических реакций), что характеризуется низкой селективностью.
Кроме того, в известном изобретении не обеспечивается турбулизация пристеночного слоя, что приводит к снижению эффективности теплоотдачи от внутренней поверхности аппарата к обрабатываемой среде.
Известен способ интенсификации реакционных и массообменных процессов в гетерогенных системах, который заключается в возбуждении колебаний в гетерогенной системе путем ее пропускания через трубу с переменным сечением, отличающийся тем, что возбуждение колебаний в гетерогенной системе при ее движении чередуется с отсутствием колебательных воздействий, а в гетерогенную систему один или более раз вводится газ, а также аппарат для реализации способа, состоящий из нагнетателя и одной или нескольких труб с переменным сечением, устройств подвода компонентов и отвода продуктов, отличающийся тем, что труба состоит из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением, чередующихся участками с постоянным поперечным сечением (пат. РФ 2264847, В01F 5/00, В01J 19/10).
Известные способ и аппарат позволяют повысить эффективность, снизить гидравлические потери, упростить конструкцию аппарата.
К недостаткам известного аппарата относятся сравнительно широкое распределение времени пребывания (особенно при числах Рейнольдса менее 1000), недостаточно высокая интенсивность переноса теплоты и массы в пристеночной зоне.
Известен аппарат цилиндрической формы с винтовой вставкой расположенной вдоль стенки аппарата по всей его длине, причем шаг навивки был выполнен в 1,5 раза больше внутреннего диаметра аппарата (прототип) (A.N. Phan, A. Harvey, Development and evaluation of novel designs of continuous mesoscale oscillatory baffled reactors, Chemical Engineering Journal, 159 (2010) 212-219). Исследования показали, что аппарат с такой геометрией позволяет существенно снизить неравномерность времени пребывания, особенно при работе в режиме осцилляций. К недостаткам этого устройства относится воздействие на обрабатываемую среду преимущественно в пристеночной зоне, тогда как в ядре потока (вдали от стенок) интенсивность воздействий не столь велика. Это приводит к тому, что при использовании данного устройства в режиме непрерывной подачи сред с фиксированным расходом распределение времени пребывания становится довольно широким.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности перемешивания на макро-, мезо- и минимасштабных уровнях, увеличение интенсивности тепло- и массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом аппарате для проведения массообменных и реакционных процессов в однофазных и многофазных средах, содержащем корпус вытянутой формы, насосы для подачи исходных компонентов, согласно изобретению, поперечное сечение корпуса выполнено периодически изменяющимся вдоль оси, при этом корпус состоит из последовательно соединенных одинаковых элементов, включающих зону плавного сужения, узкую горловину, зону плавного расширения, широкую горловину, причем в зонах плавного сужения и расширения элементов установлены завихрители.
Заявляемое устройство позволяет обеспечить снижение неравномерности пребывания (сужение кривой распределения времени пребывания в аппарате, т.е. улучшить макроперемешивание), повысить эффективность мезо - и микроперемешивания, а в результате - увеличить интенсивность тепло- и массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса (меньше 1000).
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено в различных исполнениях: с соединением элементов сваркой, при помощи фланцев, резьбовых муфт, бугельных соединений, гладких муфт или иными способами.
На фиг. 1 показан корпус вытянутой формы в сборе, включающий несколько последовательно соединенных одинаковых элементов, на фиг. 2 - элемент корпуса в сварном исполнении с установленным в нем завихрителем, на фиг. 3 и 4 - элемент корпуса в фланцевом исполнении, с установленным в нем завихрителем (на фиг. 3 - с двумя короткими завихрителями, на фиг. 4 - с одним длинным завихрителем).
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, содержащее корпус 1 в вытянутой формы, насосы для подачи исходных компонентов (на фиг. 1 условно не показаны), при этом поперечное сечение корпуса 1 выполнено периодически изменяющимся вдоль оси, корпус состоит из некоторого количества последовательно соединенных одинаковых элементов 2, включающих зону 3 плавного сужения, узкую горловину 4, зону 5 плавного расширения, широкую горловину 6, причем в зонах плавного сужения и расширения установлены завихрители 7. Количество элементов 2 определяется конкретным процессом и составляет обычно от трех до десяти; более точное его значение подлежит определению экспериментальными или расчетными методами.
В исполнении, показанном на фиг. 1, 3 и 4, элементы 2 соединены друг с другом при помощи фланцев 8. В исполнении, показанном на фиг. 2, элементы 2 соединены при помощи сварки.
Завихрители 7 могут быть выполнены в виде розеточных устройств, аналогично применяемым, например, в прямоточных циклонах, либо в виде проволоки, навитой в виде цилиндроконической винтовой спирали из проволоки, как показано на фиг. 1-4. Второй вариант является предпочтительным, поскольку требует меньших затрат, обладает меньшим сопротивлением и менее склонен к зарастанию.
При выполнении соединения элементов 2 при помощи сварки (фиг. 2) элементы 2 могут быть изготовлены из двух частей 2а и 2б, соединенных при помощи сварки (фиг. 2), причем в полость, образовавшуюся при соединении частей 2а и 2б, устанавливают завихритель 7. При этом части 2а и 2б представляют собой часть корпуса с узкой горловиной 4, зоной 5 плавного расширения, широкой горловиной 6.
Элементы 2, соединяемые друг с другом при помощи сварки, могут быть также выполнены в виде, включающем широкую горловину 6, зону 3 плавного сужения, узкую горловину 4, зону 5 плавного расширения, широкую горловину 6, т.е. элементы 2 с двух сторон присоединяются друг к другу широкими горловинами 6 (как показано на фиг. 2), или узкими горловинами 4. Завихритель 7 может быть выполнен в виде двух отдельных деталей 7а и 7б (как показано на фиг. 3), но предпочтительней выполнение завихрителя 7 в виде цельного изделия (как показано на фиг. 4). Завихритель 7 может фиксироваться относительно корпуса 1 за счет силы трения, возникающей, в свою очередь, благодаря упругим усилиям, обусловленным сжатием проволоки, навитой в виде цилиндроконической винтовой спирали, из которой выполнен завихритель 7. Возможны и другие способы крепления завихрителя 7, например, при помощи приварки к внутренней поверхности корпуса 1.
При сборке корпуса 1 элементы 2 соединяют сваркой или при помощи фланцев 8, между которыми устанавливают уплотнительные прокладки, фланцы 8 при этом соединяют при помощи крепежных элементов (прокладки и крепежные элементы на фиг. 1 условно не показаны).
Предлагаемый аппарат работает следующим образом.
Растворы исходных сред подают насосами (на фиг. 1 условно не показаны) на вход корпуса аппарата (показано стрелками на фиг. 1) с заданными расходами. По мере движения растворов вдоль оси аппарата растворы испытывают действие нескольких факторов: 1) периодическое изменение площади поперечного сечения по ходу движения (вдоль линий тока), обусловленное наличием зон 3 плавного сужения, узких горловин 4, зон 5 плавного расширения, широких горловин 6, приводящее к возникновению пульсаций при движении смешиваемых растворов вдоль оси аппарата; 2) закрутка потоков, создаваемая и поддерживаемая вдоль каждого из элементов 2 при помощи завихрителей 7; 3) пристеночная турбулизация потока, обусловленная обтеканием проволоки, из которой изготовлены завихрители 7.
Благодаря суперпозиции этих трех факторов в предлагаемом устройстве создаются условия, позволяющие добиться достижения поставленного технического результата.
Решение задачи предлагаемого изобретения достигается следующим образом:
1) повышение равномерности времени пребывания в аппарате достигается за счет существенного улучшения макро-, мезо - и микроперемешивания;
2) повышение эффективности перемешивания, а именно - достижение заданного высокого уровня макро-, мезо- и микроперемешивания при сниженных затратах энергии;
3) увеличение интенсивности тепло- и массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса - как результат улучшение гидродинамической обстановки в аппарате, а именно условий перемешивания на всех уровнях.
Принято различать три уровня (масштаба) перемешивания -макроперемешивание, мезоперемешивание и микроперемешивание (Baldyga, J., Bourne, J.R., 1986. Transport phenomena and hydrodynamics of complex flows. In: Cheremisinoff, N.P. (Ed.), Encyclopedia of Fluid Mechanics, vol. 1. Gulf PublishingCompany, Houston, TX, p.145; Baldyga, J., Bourne, J.R. Interactions between mixing on various scales in stirred tank reactors// Chem. Eng. Sci. 1992, 47, 1839).
Макроперемешивание соответствует масштабу аппарата в целом. Оно определяет условия переноса вещества крупномасштабной конвекцией по всему объему течения в реакторе, т.е. средней скоростью движения макрообъемов. Основной характеристикой макроперемешивания является кривая распределения времени пребывания. По существу, время пребывания характеризует продолжительность нахождения макрообъемов жидкости от точки ввода в аппарат до точки вывода из него. В то же время, именно такое движение отвечает за перенос макрообъемов жидкости от зон без перемешивания к зонам с высокой скоростью диссипации энергии. Простой пример - циркуляционное течение в реакторе с пропеллерной или турбинной мешалкой.
t
Мезоперемешивание имеет место на промежуточном уровне и отвечает за крупномасштабный турбулентный перенос между вводимым в аппарат энергонесущим потоком и окружающей его средой. Быстрая химическая реакция обычно протекает в близи точки ввода (зона «питания», ввода «свежего» потока), формирующей «облако» (сгусток, англ.: plume, blob) с высокой концентрацией продукта вокруг вводимого потока. Это облако является промежуточным масштабом между уровнем микроперемешивания и размером реактора. Пространственная эволюция облака может быть идентифицирована как процесс турбулентной диффузии. Другой аспект мезоперемешивания относится к инерционно-конвективному процессу дезинтеграции больших вихрей, и характеризуется почти полным отсутствием влияния молекулярной диффузии. С другой стороны, инерционно-конвективное перемешивание оказывает влияние на процессы микроперемешивания. Полное понимание и точное описание инерционно-конвективного перемешивания пока отсутствует. В качестве количественных характеристик мезоперемешивания используют кинетическую энергию турбулентности k, масштаб длины турбулентных флуктуаций L, и их сочетание, выраженное коэффициентом турбулентной диффузии D. Вместе с тем, мезоперемешивание зависит и от конкретных условий, таких как диаметр трубы, отношение скоростей питания и средней скорости среды в аппарате.
k
Микроперемешивание - последний этап перемешивания в традиционных аппаратах, состоит из вязко-конвективной деформации элементов жидкости, который ускоряет распад агрегатов жидкости вплоть до диффузионного масштаба [Baldyga, J., Bourne, J.R., 1989. Simplification of micro-mixing calculations: I. Derivation and application of a new model. Chem. Eng. J. 42, 83-92]. Селективность реакций в конечном счете зависит от микроперемешивания, т.е. от того, как перемешиваются реагенты на молекулярном уровне [Baldyga J., Bourne J.R. Turbulent Mixing and Chemical Reactions. Wiley, Chichester, 1999]. Этот механизм влечет за собой вовлечение (англ.: "engulfment") и деформацию вихрей колмогоровского масштаба λ и является лимитирующим процессом в уменьшении локальных градиентов концентрации. Количественными характеристиками являются время микроперемешивания, связанное со скоростью диссипации энергии ε [Baldyga J., Bourne J.R. Turbulent Mixing and Chemical Reactions. Wiley, Chichester, 1999]: чем выше ε, тем лучше микроперемешивание и выше селективность быстропротекающих реакций.
Базовый вариант иллюстрируется следующим примером (пример 1)
ПРИМЕР 1. Диспергирование капель масла в воде (эмульгирование) и жидкостная экстракция в известном устройстве.
Диспергирование капель подсолнечного масла в воде проводилось в известном устройстве (пат. РФ 2264847) при комнатной температуре. Диаметр узкой горловины составлял 10 мм, широкой горловины 20 мм, число последовательно соединенных элементов - 10; общий объем аппарата 180 мл. При расходе воды 0.7 м /ч и расходе масла 0.007 м /ч средний размер капель масла был равен 180 мкм. Время пребывания смеси в реакторе составляло 0,926 с. В том же устройстве исследовался массоперенос при экстракции янтарной кислоты из капель н-бутанола в воду. В экспериментах было выявлено, что в водную фазу переходит не более 7.2% янтарной кислоты, что обусловлено недостаточно высоким коэффициентом массоотдачи от поверхности капель и недостаточно развитой поверхностью контакта фаз.
Таким образом, известное устройство позволяет получать относительно мелкие капли, но уровень перемешивания недостаточно высокий для обеспечения интенсивного массопереноса.
Предлагаемый вариант иллюстрируется следующим примером (пример 2)
ПРИМЕР 2. Диспергирование капель масла в воде (эмульгирование) и жидкостная экстракция в предлагаемом устройстве.
Процессы эмульгирования и экстракции, описанные в примере 1, были проведены в предлагаемом устройстве (см. фиг. 1), изготовленном по формуле изобретения с диаметром узкой горловины 10 мм и диаметром широкой горловины 20 мм. В зонах плавного сужения и расширения аппарата вставлены завихрители, выполненные в виде конических винтовых пружин, навитых из проволоки (сталь 12Х18Н10Т), как показано на фиг. 1 и фиг. 4.
Вода и масло подавались с теми же расходами, что и в примере 1. Полученные капли масла имели средний размер 80 мкм, что в 2.25 раза выше, чем в известном устройстве.
Процесс экстракции янтарной кислоты проводили по методике, описанной в примере 1. Эксперименты показали, что в водную фазу переходит 52% янтарной кислоты, что в 7,36 раза выше, чем в базовом варианте.
Таким образом, коэффициент массоотдачи в предлагаемом аппарате при указанных параметрах возрос в 3,27 раза по сравнению с известными аналогами.
3
-5
3
Аналогичные эксперименты были проведены при расходе воды 0.006 м/ч и расходе масла 6⋅10 м/ч, при этом средний размер капель масла был равен 280 мкм (в 1,7 раза меньше, чем для базового варианта), а доля перешедшей янтарной кислоты составила 74% (в 5,4 раза выше, чем для базового варианта).
Этот результат подтверждает улучшение эффективности перемешивания на макро-, мезо- и минимасштабных уровнях, увеличение интенсивности массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса.
Учитывая аналогию процессов переноса энергии и вещества, можно ожидать и интенсификацию теплоотдачи от стенок к ядру потока.
Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет обеспечить повышение эффективности перемешивания на макро-, мезо- и минимасштабных уровнях, увеличение интенсивности тепло- и массообмена в аппарате, в том числе при низких числах Рейнольдса.