АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к аппаратам для проведения химических процессов в движущемся слое катализатора, и предназначена для использования в химической и нефтехимической технологии.
Известен реактор для проведения процессов в кипящем слое, в котором корпус, выполненный из немагнитного и неэлектропроводного материала, помещен внутрь статора асинхронного электродвигателя с вращающимся магнитным полем. Перемешивание рабочей среды в реакторе осуществляется за счет вращения и перемещения под действием магнитного поля ферромагнитных частиц, помещенных в указанный аппарат [1].
Недостатками указанного реактора являются отсутствие эффективного управления процессом в реакторе из-за низкой напряженности вращающегося магнитного поля в рабочей зоне, что особенно существенно проявляется по направлению от стенок к центру реактора, низкая удельная производительность реактора, а также, как следствие, ограниченность типов проводимых в указанном реакторе химических процессов.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Известен также реактор для проведения физико-химических процессов, содержащий камеру смешения из немагнитного материала, в которой размещен рабочий орган в виде ротора, закрепленного на подшипниках и снабженного перемешивающими элементами. На внешней поверхности камеры выполнена статорная обмотка асинхронного электрического двигателя. В указанном аппарате перемешивание создается за счет вращения рабочего органа - ротора с лопатками при подаче напряжения на обмотки статора [2].
Недостатками указанного аппарата является наличие вращающихся узлов непосредственно в зоне перемешивания или протекания целевых химических процессов, что отрицательно влияет на производительность аппарата, срок службы или межремонтного пробега и др.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Известен аппарат вихревого слоя [3], содержащий крышки с патрубками подвода и отвода охлаждающей среды, коллектор, сообщенный с патрубком подвода охлаждающей среды, размещенный между крышками индуктор вращающегося электромагнитного поля, имеющий осевой канал, в котором с зазором к стенкам канала установлена реакционная камера в виде трубы, имеющей сменную вставку с ферромагнитными частицами, индуктор также имеет обечайку из немагнитного материала и кожух, соединенный с крышками, при этом кожух и обечайка индуктора выполнены цилиндрическими. В этом аппарате ферромагнитные частицы сменной вставки выполнены в виде стержней разных размеров, выбор которых производится по следующему соотношению:
общ
1
2
n
N=N+N+…+N,
общ
где N - общее число ферромагнитных частиц сменной вставки;
1
1
1
N - число частиц длиной l и диаметром d;
2
2
2
N - число частиц длиной l и диаметром d;
3
3
3
N - число частиц длиной l и диаметром d;
n
n
n
N - число частиц длиной l и диаметром d,
1
2
3
n
1
1
2
2
3
3
n
n
причем N<N<N<N, l/d>l/d>l/d>l/d.
Недостатком такого устройства является недостаточная эффективность, заключающаяся в больших удельных энергозатратах. Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Наиболее близким к заявляемому объекту по своей сущности и достигаемому техническому результату является аппарат [3]. для проведения физико-химических процессов, содержащий трубчатую камеру смешения из немагнитного материала со статорной обмоткой, выполненной на внешней поверхности камеры, и размещенным внутри нее рабочим органом в виде ротора, который выполнен в виде неподвижного сердечника из магнитоактивного материала, заключенного в цилиндрическую оболочку из немагнитного и неэлектропроводящего материала, оболочка снабжена средствами крепления и центрирования, на торце оболочки закреплен сепаратор с отверстиями и при этом внешний диаметр сепаратора равен внутреннему диаметру трубчатой камеры смешения. В этом аппарате основания оболочки из немагнитного и неэлектропроводящего материала выполнены в виде дисков диаметром, равным внутреннему диаметру трубчатой камеры смешения, и на кольцевых участках дисков, ограниченных пространством между оболочкой и трубчатой камерой смешения, выполнены отверстия и на стенках межтрубного пространства выполнено покрытие, например, каталитически активной композицией.
Недостатком такого устройства является недостаточная эффективность, заключающаяся в больших удельных энергозатратах.
Указанные недостатки также обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Целью создания полезной модели является повышение эффективности и надежности за счет интенсификации процесса перемешивания, улучшения управляемости процессом и утилизации сбрасываемого тепла.
Технический результат заключается в снижении эксплуатационных затрат и повышении производительности.
Технический результат полезной модели достигается тем, что в аппарате для проведения физико-химических процессов, содержащем заключенную в снабженный входным и выходным патрубками корпус, камеру смешения из двух коаксиально установленных в корпусе обечаек из немагнитного материала со статорной обмоткой, установленной на внешней обечайке в полости корпуса, согласно полезной модели полость корпуса со статорной обмоткой заполнена жидкостью и соединена с теплообменным устройством.
В полости корпуса со статорной обмоткой помещен змеевик, соединенный с входным патрубком аппарата.
Теплообменное устройство соединено с линией подачи обрабатываемой среды.
Во внутренней обечайке камеры смешения помещен неподвижный сердечник из магнитоактивного материала рабочий орган и внутренняя обечайка снабжена установленными по торцам крышками из немагнитного и неэлектропроводного материала.
Торцы камеры смешения выполнены в виде снабженных окнами дисков.
В камере смешения помещены частицы из магнитоактивного материала, являющиеся рабочим телом.
На стенках камеры смешения и на частицах из магнитоактивного материала выполнено покрытие, например, в виде каталитически активной композиции.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Заполнение полости корпуса со статорной обмоткой жидкостью и соединение ее с теплообменным устройством обеспечивает эффективный подвод либо отвод тепла от обрабатываемой среды при одновременном охлаждении аппарата до безопасной температуры. Это обеспечивает повышение эффективности установки..
Помещение в полости корпуса со статорной обмоткой змеевика, соединенного с входным патрубком аппарата обеспечивает предварительный подогрев обрабатываемой среды, обеспечивая повышение производительности..
Соединение теплообменного устройства с линией подачи обрабатываемой среды обеспечивает эффективный подвод либо отвод тепла от обрабатываемой среды при одновременном охлаждении аппарата до безопасной температуры. Это обеспечивает повышение эффективности установки.
Помещение во внутренней обечайке камеры смешения неподвижного сердечника из магнитоактивного материала и снабжение камеры смешения и внутренней обечайки установленными по торцам крышками из немагнитного и неэлектропроводного материала обеспечивает формирование электромагнитного поля с оптимальной конфигурацией. Для регулирования конфигурации магнитного поля и управления напряженностью его в реакционном объеме трубчатого аппарата с кипящим слоем в центре последнего размещают неподвижный цилиндрический сердечник из магнитоактивного материала. Размеры и собственно форма, а также сам материал сердечника определяются технологическим замыслом, в частности, планируемой производительностью, характером процессов и/или реакций, вовлекающих использование заявляемого технического решения, и т.д.
Такими же и подобными факторами определяются способы и конструктивные решения закрепления сердечника по центру трубчатого реактора, способы и средства изоляции сердечника от контакта с реакционной средой. В качестве материала сердечника используются ферриты, ферромагнетики, электротехническую сталь и другие материалы, обладающие магнитоактивными свойствами.
Выполнение торцы камеры смешения в виде снабженных окнами дисков обеспечивает локализацию зоны обработка различных сред, что повышает качество обработки. В качестве материала камеры смешения и оболочки сердечника могут использоваться немагнитные и неэлектропроводящие материалы, такие как, например, керамика, стекло, стекловолоконные композиционные материалы, полимеры и другие подобные материалы.
Помещение в камере смешения частиц из магнитоактивного материала, являющихся рабочим телом, обеспечивает эффективную обработку различных сред вихревым методом. Рабочее тело в заявляемом аппарате - частицы из магнитоактивного материала, помещенные в пространстве между стенкой трубчатой камеры смешения и цилиндрическим сердечником, Размеры и форма частиц рабочего тела не лимитированы в разумных пределах. Частицы могут быть, например, выполнены в виде иголок, шариков, лепестков произвольной формы и т.п.В качестве материала частиц рабочего тела используют ферриты, ферромагнетики, электротехническую сталь и другие материалы, обладающие магнитоактивными свойствами. В необходимых случаях предусмотрено исключение непосредственного контакта материала рабочего тела с реакционной средой, например, нанесением нейтрального изолирующего покрытия.
Выполнение на стенках камеры смешения покрытия, например, в виде каталитически активной композиции обеспечивает эффективность обработки различных сред. Следует отметить, что в заявляемом аппарате могут быть использованы по меньшей мере две каталитические системы - одна в виде покрытия, нанесенного на стенки межтрубного пространства, и вторая, нанесенная на частицы рабочего тела..
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций аппаратов для проведения физико-химических процессов с получением технического результата, заключающегося в повышении эффективности их работы, обеспечиваемой качеством работы аппарата, а также увеличением производительности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где
На фиг.1 представлено устройство заявляемого аппарата со змеевиком в полости корпуса.
На фиг.2 представлен вариант выполнения заявляемого аппарата с внешним холодильником.
На фиг.3 представлен вариант выполнения заявляемого аппарата с теплообменником для подогревания обрабатываемой жидкости. Перечень позиций, указанных на чертежах
1. наружная труба камеры смешения;
2. полукорпус;
3. полукорпус;
4. патрубок выходной;
5. патрубок входной;
6. статорная обмотка;
7. сердечник;
8. внутренняя труба камеры смешения;
9. торцовая стенка;
10. окно;
11. камера смешения;
12. рабочее тело;
13. разъем полукорпусов;
14. вход змеевика;
15. змеевик;
16. холодильник;
17. решетка;
18. крышка верхняя;
19. патрубок;
20. крышка нижняя;
21. патрубок;
22. корпус;
23. сепаратор;
24. стенка внутренняя;
25. теплообменник;
26. центрующая звездочка.
Аппарат для проведения физико-химических процессов, (фиг 1) содержит наружную трубу камеры смешения 1; выполненную из немагнитного материала, заключенную в полукорпус 2 и в полукорпус 3; содержащие соответственно патрубок выходной 4 и патрубок входной 5. На наружной трубе камеры смешения 1 с зазором установлена статорная обмотка 6, а внутри камеры неподвижно установлен сердечник 7, выполненный из магнитоактивного материала, и заключенный во внутреннюю трубу камеры смешения 8. Внутри наружной трубы камеры смешения 1 установлены торцовые стенки 9 с окнами 10. Стенки 9 выполнены из немагнитного и неэлектропроводного материала и соединены с торцами внутренней трубы камеры смешения 8. Пространство, заключенное между внутренней поверхностью наружной трубы камеры смешения 1, наружной поверхностью внутренней трубы камеры смешения 8 и стенками 9 образует камеру смешения 11, в которой помещены частицы рабочего тела 12. Полукорпуса 2 и 3 соединены между собой по разъему полукорпусов 1, образуя корпус. Снаружи корпуса расположен вход змеевика 14, а сам змеевик 15 установлен внутри полукорпуса 3 и его выход соединен с входным патрубком 5.
Как вариант (фиг.2), кольцевая полость в полукорпусах 2 и 3, в которой установлена статорная обмотка 6, гидравлически соединена с расположенным вне аппарата холодильником 16. В зависимости от температурных режимов контур охлаждения может комплектоваться гидравлическим насосом (не показан). Это устройство обеспечивает Эффективный подвод, либо отвод тепла от обрабатываемой среды при одновременном охлаждении аппарата до безопасной температуры. Это обеспечивает повышение эффективности установки.
На фиг.3 показан вариант вихревого аппарата, в котором отсутствует сердечник. Хотя при этом снижается эффективность электромагнитного поля, в то же время в значительной степени упрощается конструкция вихревого аппарата. Аппарат дополнительно содержит решетку 17, установленную в трубе 1. Аппарат выполнен в виде заключенного между верхней крышкой 18 с патрубком 19 и нижней крышкой 20 с патрубком 21 корпуса 22, внутри которого со стороны крышки 20 установлен сепаратор 23. Между стенкой корпуса 22 и статорной обмоткой 6 в корпусе установлена внутренняя стенка 24, выполненная из немагнитного и неэлектропроводного материала; Вне аппарата размещен теплообменник 25. Между корпусом 22 и трубой камеры смешения 1 установлена центрующая звездочка 26.
Работает аппарат следующим образом.
При подаче напряжения на статорную обмотку 6 в камере смешения 11, ограниченной наружной трубой 1 и внутренней трубой 8 камеры смешения т и торцовой стенкой 9, как показано на фиг.1 и 2, либо стенкой трубы 8 и решеткой 17 (фиг.3), создается вращающееся магнитное поле. Под действием его частицы рабочего тела 12 начинают двигаться, вовлекая в движение обрабатываемую жидкость, либо сыпучий продукт. Характер взаимодействия рабочего тела и обрабатываемой среды и его эффективность подробно изучены и описаны в технической литературе и хорошо известны специалистам. При работе статорной обмотки 6 выделяется тепло, которое по разному сказывается на результатах обработки сред.
Показанный на фиг.1 вариант аппарата предназначен для обработки сред, обрабатываемых при повышенных температурах. Обрабатываемая среда подается через вход змеевика 14 в змеевик 15, установленный в полости полукорпуса 3, заполненной дистиллированной водой либо органическим теплоносителем. Подогретая в змеевике 15 жидкость через входной патрубок 5 и окна 10 в торцевой стенке 9 поступает в камеру смешения, в которой, взаимодействуя с рабочим телом 12 перемещается к противоположной торцовой стенке 9 и через окна 10 переходит в полость полукорпуса 2 и через выходной патрубок 4 удаляется из аппарата. Сепараторы или аналогичные по функциональному признаку приспособления удерживают частицы рабочего тела 12 в камере смешения 11.
Показанный на фиг.2 вариант аппарата предназначен для обработки термолабильных, т.е. чувствительных к перегреву сред. Обрабатываемая жидкость через входной патрубок 5 и окна 10 в торцевой стенке 9 поступает в камеру смешения 11, в которой, взаимодействуя с рабочим телом 12, перемещается к противоположной торцовой стенке 9 и через окна 10 переходит в полость полукорпуса 2 и через выходной патрубок 4 удаляется из аппарата. Сепараторы или аналогичные по функциональному признаку приспособления удерживают частицы рабочего тела 12 в камере смешения 11. Выделяющееся при работе статорной обмотки 6 тепло теплоносителем по трубам подается в холодильник 16, откуда вновь возвращается в кольцевую полость в полукорпусах 2 и 3, в которой установлена статорная обмотка 6.
Показанный на фиг.3 вариант аппарата предназначен для обработки как термолабильных, т.е. чувствительных к перегреву сред, так и сред, обрабатываемых при повышенных температурах. Обрабатываемая жидкость через входной патрубок 28 поступает в теплообменник 25 откуда через патрубок 5 и отверстия в решетке 17 поступает в камеру смешения, ограниченную внутренней трубой камеры смешения 8 в которой, взаимодействуя с рабочим телом 12, перемещается вверх и через выходной патрубок 4 удаляется из аппарата. Магнитное поле статорной обмотки 6 удерживает частицы рабочего тела 12 в камере смешения. Выделяющееся при работе статорной обмотки 6 тепло теплоносителем через патрубок 21 в нижней крышке 20, через сепаратор 23 омывает статорную обмотку 6 с внешней и внутренней сторон, отбирает у последней тепло через патрубок 19 верхней крышки 18 поступает в теплообменник 25.
Наличие каталитического покрытия на стенках камеры смешения, а также на частицах рабочего тела обеспечивает проведение разнообразных химических процессов, особенно в случае использования двух разных катализаторов. Заявляемый аппарат позволяет совместить процессы катализа и магнитной активации, а также существенно активизировать процессы, происходящие под воздействием магнитного поля в вихревом магнитоактивном слое катализатора.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет существенно сократить время и удельные энергозатраты на обработку жидких и сыпучих сред.
Источники информации
1. А.С. СССР №168264, М. кл. B01F 13/08, 1965 г.
2. А.С. СССР №1101291, М. кл. B01F 13/08,1984 г.
3. Патент РФ №2342987, МПК B01F 13/08, 2009 г.
4. Патент РФ №2224589, МПК B01J 19/12, B01F 13/09, 2004 г.