МОЛЕКУЛЯРНЫЙ КЛАССИФИКАТОР
MOLECULAR CLASSIFIER

Изобретение относится к химическому оборудованию и может быть использовано для распределения молекулярных фракций в смесях высокомолекулярных соединений и их гомогенизации.
Известно устройство для гомогенизации, содержащее плунжерный блок и гомогенизирующую головку. На входе плунжерного блока установлен всасывающий коллектор, а на выходе - нагнетательный, связанный с входом гомогенизирующей головки. Головка представляет собой цилиндрическую вихревую камеру, у одного торца которой тангенциально установлены эжекторы, связанные с нагнетательным коллектором, а на торце имеется вывод. На другом торце камеры имеется выходной канал, в котором установлен подпружиненный клапан. Выходной канал сообщен с полостью второй камеры, состыкованной с цилиндрической вихревой камерой. Вторая камера имеет вывод, сообщенный с всасывающим коллектором.
В процессе работы устройства подлежащая гомогенизации среда через всасывающий коллектор подается в плунжерный блок, откуда под давлением через эжекторы нагнетается в вихревую камеру. В вихревой камере образуется вихревой поток с зоной низкого давления в его приосевой части, где осуществляется гомогенизация среды. Гомогенизированный продукт отводится из камеры через вывод на ее торце, а периферийная часть потока через клапан на другом торце вихревой камеры выводится во вторую камеру, откуда через вывод и всасывающий коллектор подается на плунжерный блок и далее в вихревую камеру гомогенизирующей головки на «догомогенизацию» (см. патент РФ №2246824, кл. A61J 11/16, 2005 г.).
Известное устройство предназначено только для гомогенизации продукта и не обеспечивает его классификацию.
Известен аппарат для проведения химических реакций и массообменных процессов, содержащий устройство ввода дисперсной фазы, корпус которого выполнен в виде трубы Вентури, состоящей из цилиндро-конического конфузора, горловины и диффузора. В корпусе размещено сопло ввода дисперсной фазы. Аппарат также содержит емкость с циркуляционным насосом, к нагнетательному патрубку которого подключен циркуляционный трубопровод для жидкой фазы. В емкости также имеются патрубки для отвода конечных продуктов.
В процессе работы аппарата включают циркуляционный насос и заполняют средой емкость. Жидкая фаза, поступающая из устройства ввода под давлением в трубу Вентури, получает спиралеобразное движение. При входе в горловину трубы среда приобретает максимальную скорость, после чего она попадает в зону разрежения, в результате чего компонент диспергируется и смешивается со средой, находящейся в емкости. Через выводы емкости раздельно выводятся легкая дисперсная фаза и тяжелая дисперсная фаза (см. патент №2296007, кл. B01J 9/26, 2005 г.) - наиболее близкий аналог.
Известный аппарат обеспечивает классификацию продукта на его легкую и тяжелую фазы. Однако производительность данного аппарата низка, так как его разделение в емкости на фазы проходит очень медленно и с низким качеством. Возможности регулировки его параметров ограничены.
Задачей настоящего изобретения является повышение производительности и качества классификации и гомогенизации сред.
Поставленная задача обеспечивается тем, что молекулярный классификатор содержит первый и второй модули, соединенные трубчатыми элементами в замкнутый контур, при этом первый модуль содержит завихритель в виде спирального соплового ввода, кольцевую диафрагму и стыковочные патрубки, соединенные с трубчатыми элементами, а второй модуль содержит патрубки для присоединения трубчатых элементов, дроссель и перегородку с центральным отверстием, разделяющую каналы вывода целевых продуктов, причем второй модуль может быть снабжен, по меньшей мере, одним резонатором, выполненным в виде вмонтированного в перегородку стакана, полость которого обращена к соплу, соединенному с диафрагмой первого модуля посредством трубчатого элемента, а перегородка может быть снабжена, по меньшей мере, одним клапаном.
Данной совокупности признаков достаточно для достижения технического результата в объеме испрашиваемой правовой охраны
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:
фиг.1 - общий вид классификатора;
фиг.2 - фрагмент I на фиг.1;
фиг.3 - разрез А-А на фиг.2;
фиг.4 - фрагмент II на фиг.1, разрез;
фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.4;
фиг.6 (а, б) - исполнения фрагмента II;
фиг.7 - исполнение фрагмента II (фиг.1);
фиг.8 - схема регулирования классификатора.
Молекулярный классификатор выполнен по модульному принципу. Модуль 1 (первый модуль) содержит установленные в корпусе завихритель 2 и кольцевую диафрагму 3. Завихритель 2 (фиг.3) выполнен в виде соединенного с входным патрубком спирального соплового ввода. Данный элемент может иметь другое функционально эквивалентное исполнение. На корпусе имеются стыковочные патрубки 4 и 5.
Модуль 1 изогнутыми трубчатыми элементами 6 и 7, подсоединенными к патрубкам 4 и 5, соединен с модулем 8 (второй модуль), содержащим дроссель 9 и имеющим каналы 10 и 11 вывода целевых продуктов.
На фиг.4 дроссель 9 показан игольчатым, но он может иметь и иное исполнение.
Дроссель может и не входить в состав классификатора, поскольку изменение соотношения потоков может быть обеспечено регулировкой сечения диафрагмы.
Модуль 8 образован корпусом 12 и крышкой 13, выполненными из материалов с низким коэффициентом теплопроводности.
Крышка 13 содержит патрубок 14 для присоединения трубчатого элемента 6, а на корпусе 12 имеется патрубок 15 для подсоединения трубчатого элемента 7. Данные соединения могут быть осуществлены посредством хомутов 16. Модуль 8 может быть оснащен резонаторами 17 (фиг.5). Количество резонаторов может быть различным, их исполнение и настройка характеристик являются известными для специалистов и нет необходимости в их раскрытии в настоящей заявке.
Модуль 8 содержит поперечную перегородку 18, разделяющую каналы 10 и 11. Перегородка имеет центральное отверстие 19 с клапаном 20 для импульсного перекрытия отверстия. Клапан 20 может устанавливаться по обе стороны перегородки или быть двойным (в форме катушки, на фигурах не показан).
Перегородка, разделяющая каналы модуля 8, может иметь трубчатое продольное расположение (поз.21, фиг.6-а) либо может быть комбинированной (фиг.6-б и 7).
На фиг.6 канал 10 расположен тангенциально цилиндрической стенке корпуса 12.
На фиг.7 показано положение перегородки 18, при котором в ее центральное отверстие запрессован стакан 22, имеющий функции резонатора. Стакан 22 имеет полость 23, заостренный торец 24 и винтовую канавку 25 на внешней поверхности.
Внутренняя боковая поверхность полости 23 может содержать теплоизолирующий слой 26. Корпус 12 может выполняться из композиционного материала, имеющего малую теплопроводность. Соосно стакану 22 в крышке 13 установлено с возможностью регулировки положения сопло 28, которое трубчатым элементом 6 соединено с кольцевой диафрагмой 3.
Регулировкой положения сопла 28 достигаются резонансные автоколебания обрабатываемой среды (условно показаны позицией 27 на фиг.7). Возможно также моноблочное исполнение крышки 13 и сопла 28, при котором отверстие крышки имеет профиль конфузора или сопла Лаваля (на фигуре не показано). При этом перемещение сопла относительно стакана 22 обеспечивается взаимодействием крышки 13 и корпуса 12.
Камера классификации образована полостями модулей и полостями элементов 6 и 7, и ее ось представляет замкнутую кривую.
Выполнение трубчатых элементов 6 и 7 гибкими позволяет регулировать режим работы внешним воздействием на них, которые при этом работают как цилиндрические мембраны. Коллектор 29 (фиг.8) сообщает патрубками 30 и 31 камеру разделения с нагнетателем среды (на фиг не показан). В состав коллектора 29 входят жесткие камеры 32 и 33. Эти камеры герметично охватывают эластичные рукава 6 и 7.
В совокупности коллектор и мембраны обеспечивают необходимое саморегулирование сечения трубчатых элементов. Это происходит следующим образом. При колебаниях давления рабочего тела в патрубке 30 трубчатые элементы 6 и 7 сжимаются на пропорциональную величину, поскольку давление среды во внешнем патрубке (и перед завихрителем) всегда выше, чем внутри трубчатых элементов 6 и 7.
Молекулярный классификатор работает следующим образом.
Исходная среда поступает под давлением во входной патрубок 34, и, проходя через завихритель 2, приобретает структуру в виде коаксиальных закрученных потоков. Под действием радиального градиента давления среда разделяется на потоки в соответствии с молекулярными массами, которые выводятся из модуля 1 через патрубки 4 и 5 и по трубчатым элементам 6 и 7 поступают встречно в модуль 8, откуда через каналы вывода целевых продуктов 10 и 11 выводятся в накопительные емкости или направляются на повторную обработку.
Повышение эффективности обработки смеси (в частности, снижение кратности прокачки через классификатор) достигается использованием признаков п.п.2-4 формулы изобретения, посредством инициирования продольных пульсаций в целевом продукте (в.т.ч. резонансных), фиг.7. При этом истекающий из сопла 28 продукт претерпевает автоколебания 27, возникающие при его взаимодействии с дном стакана 22. В результате волновых процессов структура целевого продукта претерпевает изменения, характер которых зависит от параметров пульсаций и настройки резонаторов.
В известных аппаратах осевая зона камеры разделения не передает энергию внешним слоям в резонансном режиме, поскольку камера разделения не замкнута.
В заявленном изобретении, в отличие от всех иных аналогов, осевая зона свернута в кольцевой резонатор. Это качественно меняет процесс, результатом является более интенсивное воздействие на разделенные потоки, повышая коэффициент их трансформации.
Клапан 20 обеспечивает циклическое (импульсное) перекрытие отверстия 19 перегородки 18 и является согласующим элементом. Также возможна при оптимальном подборе геометрических соотношений аппарата (расстояний между модулями 1 и 8, диаметра элементов 6 и 7) работа аппарата и без элементов 19 и 20.
В классификаторе реализована обратная связь сечений трубчатых элементов и давления среды на его входе. Обратную связь обеспечивают эластичные участки трубчатых элементов, которые заключены в жесткие камеры 32 и 33. Последние сообщены с впускным патрубком 30. Введение обратной связи при колебаниях давления во входном патрубке 30 и изменениях сопротивлений на выходе патрубков 10 и 11 стабилизирует работу классификатора.
Конструкция классификатора обеспечивает высокую эффективность его работы при классификации и гомогенизации среды и расширяет диапазон его устойчивой работы.
Заявленный молекулярный классификатор может быть использован для разделения по молекулярным фракциям и гомогенизации широкого спектра жидкостных и газожидкостных сред, например, в нефтехимической промышленности для нефти и нефтепродуктов, в пищевой промышленности для молочных продуктов.
Пример использования.
Нефть насосом через входной патрубок 34 и завихритель 2 подавали в первый модуль 1, где под действием центробежных сил осуществлялось распределение нагнетаемого потока на потоки углеводородов с разными молекулярными массами, которые раздельно выводились из модуля 1 через патрубки 4 и 5 и по трубчатым элементам 6 и 7 подавались во второй модуль 8 для проведения гомогенизации распределенных сред. Целевые продукты (более тяжелые группы молекул и более легкие группы молекул) выводятся в накопительные емкости через каналы 10 и 11 модуля 8.