АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ МАССООБМЕННЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
APPARATUS FOR MASS EXCHANGE AND CHEMICAL PROCESSES

Изобретение относится к химическому машиностроению, более конкретно - к аппарату для проведения массообменных и химических процессов.
Известны разнообразные аппараты указанного назначения (см., например: Ю.И. Дытнерский. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. - Москва, "Химия", 1995, - 368 с. [1]; Д.А. Баранов, A.M. Кутепов. Процессы и аппараты. - Москва, "Химия", 2004, - 304 с. [2]).
Предлагаемое изобретение относится к классу аппаратов, используемых для осуществления процессов с участием твердой и жидкой фаз, при проведении которых возможно изменение объема участвующих фаз как в сторону увеличения (например, набухание твердой фазы, температурное расширение), так и в сторону его уменьшения (сжатие твердой фазы при регенерации, охлаждении), а также газообразование в результате химической реакции.
Нежелательным побочным эффектом подобных процессов является повышение внутреннего давления в аппарате, которое может привести к разгерметизации и поломке аппарата, а также к нарушению кинетики процесса. Кроме того, целый ряд массообменных (например, ионообменных) процессов проводятся при условии, что твердая фаза (например, ионит) должна быть зажатой между днищем и крышкой аппарата, во избежание перемешивания твердой фазы (ионита) при прохождении через нее технологических растворов снизу вверх. Если при этом объем твердой фазы (ионита) уменьшается, аппарат должен иметь возможность уменьшить внутренний объем и обеспечить исходное зажатие твердой фазы (см. патент РФ №2434679, опубл. 27.11.2011 [3]).
Одним из путей решения проблемы, связанной с повышением внутреннего давления, является компенсационное изменение рабочего объема аппарата. Однако существующие компенсаторные системы с деформируемыми элементами (сильфоны, линзы, мембраны) работают при относительно малых изменениях объема рабочих сред (до 10%), см., например, авторское свидетельство СССР №1603118, опубл. 30.10.1990 [4], и патент РФ [3]. Однако в некоторых процессах твердая фаза при разбухании может увеличиваться в объеме до 100% и более. Например, слабокислотный катионит КБ-4 при переводе в Na-форму набухает и увеличивается в объеме на 100% и более.
Компенсировать такое увеличение объема можно, применив плавающую верхнюю дренажную систему, например, в виде поршня (патент РФ [3]). Однако в этом случае возникает проблема герметизации зазора между боковой поверхностью поршня и внутренней (цилиндрической) поверхностью аппарата. При проектировании и изготовлении подобной системы необходимо удовлетворить ряд требований, являющихся взаимоисключающими или взаимно усложняющими. Например, уплотнение должно обеспечить герметичность (за счет сильного прижатия поршня к внутренней поверхности аппарата) и легкое скольжение поршня по стенкам аппарата (что предполагает зазор между ними); необходимо обеспечить минимальные зазоры между сопрягаемыми деталями при их больших линейных размерах (что вызывает большие погрешности формы и разброс в размерах зазора по периметру сопряжения деталей), и др. Весьма существенным является также то, что на стадии уменьшения объема фаз, участвующих в процессе, в известных устройствах движение поршня вниз для уменьшения рабочего объема аппарата можно осуществить только принудительно из-за значительного трения о стенку, что значительно усложняет конструкцию аппарата.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение в указанных выше условиях работы (возможность изменения объема твердой фазы порядка 100%) технического результата, заключающегося в следующем:
- автоматическое изменение рабочего (внутреннего) объема аппарата вслед за изменением объемов находящихся в аппарате (и поступающих в него) веществ, участвующих в массообменном (или химическом) процессе, и веществ, образующихся в результате этого процесса;
- обеспечение герметичности сопряжения движущихся частей аппарата при малом сопротивлении перемещению их относительно друг друга;
- отсутствие необходимости в приложении дополнительных внешних усилий для уменьшения внутреннего объема аппарата вслед за уменьшением объема находящихся в нем веществ.
Наиболее близким к предлагаемому является аппарат по патенту РФ [3], в котором для компенсации изменения объема участвующих в процессе фаз применяется размещенное в верхней части его корпуса прижимное средство в различных вариантах выполнения, в частности, в виде гидравлического или пневматического поршня. Аппарату с таким средством присущи отмеченные выше недостатки, вследствие которых его конструкция при условиях использования, характеризующихся значительными изменениями объема твердой фазы, не обеспечивает достижение названного выше технического результата.
Предлагаемый аппарат для проведения массообменных и химических процессов, как и указанный наиболее близкий к нему известный, содержит вертикальный корпус с верхними и нижними устройствами для подачи и выхода технологических жидкостей, узлами для загрузки и выгрузки твердой фазы, расположенными, соответственно, вверху и внизу корпуса.
Для достижения названного выше технического результата в предлагаемом аппарате, в отличие от наиболее близкого к нему известного, корпус выполнен в виде верхней секции, вверху которой расположены указанные верхнее устройство для подачи и выхода технологических жидкостей и узел для загрузки твердой фазы, и нижней секции, внизу которой расположены указанные нижнее устройство для подачи и выхода технологических жидкостей и узел для выгрузки твердой фазы. Указанные секции имеют цилиндрическую форму, установлены коаксиально с радиальным зазором и имеют гладкие обращенные друг к другу поверхности. При этом нижняя секция является наружной и неподвижна, а верхняя секция является внутренней и подвижна относительно нижней в осевом направлении. Между обращенными друг к другу поверхностями верхней и нижней секций непосредственно в указанном зазоре размещено герметизирующее уплотнительное кольцо круглого поперечного сечения из упругого эластичного материала, установленное с плотным прилеганием к этим поверхностям и возможностью перекатывания по ним без скольжения на протяжении всего пути возможного перемещения верхней секции.
При такой конструкции предлагаемого аппарата, когда он выполнен в виде цилиндрических коаксиальных секций с размещенным в радиальном зазоре между ними с возможностью перекатывания герметизирующим уплотнительным кольцом, изначально (т.е. до размещения его в зазоре) имеющим круглое поперечное сечение, трение, являющееся в данном случае трением качения, весьма невелико. Поэтому верхняя (внутренняя) секция может свободно подниматься под давлением увеличивающейся в объеме твердой фазы и опускаться под действием собственного веса при уменьшении объема твердой фазы. Тем самым без приложения дополнительных внешних усилий обеспечивается автоматическое изменение рабочего объема вслед за изменением объемов находящихся в аппарате и поступающих в него веществ, участвующих в массообменном или химическом процессе, и веществ, образующихся в результате этого процесса.
Внизу верхней (внутренней, подвижной) секции на ее поверхности, обращенной к нижней (наружной, неподвижной) секции, может быть неподвижно установлено защитное кольцо для предотвращения попадания твердой фазы в зазор между секциями. Защитное кольцо сопрягается с поверхностью наружной секции по скользящей посадке с гарантированным зазором. Создаваемое этим кольцом дополнительное трение незначительно и не затрудняет перемещение внутренней секции.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором предлагаемый аппарат для проведения массообменных и химических процессов показан в продольном разрезе.
В правой части чертежа показан фрагмент 100 в укрупненном масштабе.
Аппарат содержит две коаксиальные установленные с радиальным зазором 11 между ними цилиндрические секции: нижнюю (неподвижную, наружную) секцию 1 и верхнюю (внутреннюю, подвижную) секцию 2. Неподвижная секция 1 имеет днище 3 с нижним устройством 4 для подачи и выхода технологических жидкостей и узлом 5 для выгрузки твердой фазы. Подвижная секция 2 снабжена крышкой 6 с верхним устройством 7 для подачи и выхода технологических жидкостей и узлом 8 для загрузки твердой фазы.
В зазоре 11 между обращенными друг к другу поверхностями секций 1 и 2 размещено герметизирующее уплотнительное кольцо 9, поперечное сечение которого показано позицией 12. Кольцо 9, имеющее в свободном (т.е. до размещения в зазоре 11) состоянии круглое поперечное сечение, выполнено из упругого эластичного материала, например из резины (предпочтительно, малой степени твердости) или силикона. Для плотного прилегания кольца 9 к обращенным друг к другу поверхностям секций 1 и 2 с возможностью перекатывания по ним без скольжения на протяжении всего пути возможного перемещения верхней секции диаметр поперечного сечения кольца 9 до установки в зазор 11 превышает ширину зазора. При этом одновременно достигается герметичность подвижного соединения секций 1 и 2.
В нижней части подвижной секции 2 расположено защитное кольцо 10, представляющее собой слой пористого либо ворсистого упругого гибкого материала, закрепленное на наружной поверхности внутренней секции 2. Защитное кольцо 10 перекрывает кольцевой зазор 11 между секциями и скользит по внутренней поверхности наружной секции 1, действуя как щетка для предотвращения попадания твердой фазы в пространство выше кольца 10, ограниченное внутренней 2 и наружной 1 секциями и уплотнительным кольцом 9.
Сборка аппарата осуществляется следующим образом. Неподвижную секцию 1 с предварительно присоединенным днищем 3 устанавливают вертикально. К подвижной секции 2 присоединяют крышку 6 и крепят в специальной канавке защитное кольцо 10 на небольшом расстоянии от нижнего торца секции. Затем на секцию 2 надевают с натягом уплотнительное резиновое кольцо 9 и располагают его над защитным кольцом 10. Далее секцию 2 ориентируют вертикально крышкой 6 вверх, вставляют нижним торцом внутрь неподвижной секции 1 и опускают вниз до соприкосновения уплотнительного кольца 9 с кромкой верхнего торца секции 1. После этого секция 2 под действием силы тяжести продолжает движение вниз, увлекая за собой кольцо 9 действующей вертикально вниз силой трения, вызванной упругостью материала (натягом) кольца и возникающей на поверхности его контакта с секцией. С противоположной стороны кольца 9 на линии его соприкосновения с внутренней кромкой верхнего торца секции 1 возникает сила реакции на вес секции 2, действующая на кольцо в противоположном направлении, т.е. вверх. В результате кольцо 9 деформируется таким образом, что его круглое поперечное сечение превращается в овальное, причем длинная ось овала ориентирована вертикально, а короткая горизонтально (на чертеже поперечное сечение 12 кольца 9 показано без отображения его деформации). Как только размер короткой оси достигает величины зазора 11, кольцо 9 входит в этот зазор и прижимается к внутренней поверхности секции 2 силами упругости материала кольца. На поверхности контакта секции 2 и кольца 9 возникает сила трения, действующая вертикально вверх. Таким образом, при дальнейшем опускании секции 2 на уплотнительное кольцо 9 действуют силы трения, приложенные к диаметрально противоположным точкам, расположенным на поверхностях контакта кольца 9 с поверхностями секций 1 и 2. Эти силы, действующие параллельно оси аппарата во взаимно противоположных направлениях, создают крутящий момент, заставляющий резиновое кольцо 9 вращаться вокруг кольцевой оси, проходящей через центр поперечного сечения 12 кольца 9. В результате кольцо 9 катится по поверхностям секций 1 и 2, с которыми оно контактирует. Движение секции 2 вниз продолжается до соприкосновения ее нижнего торца с днищем 2 секции 1. На этом сборка аппарата заканчивается.
Подготовка аппарата к работе заключается в подключении верхнего 7 и нижнего 4 устройств для подачи и выхода технологических жидкостей к соответствующим трубопроводам и загрузке твердой фазы, например ионита, через открытый узел 8 загрузки при закрытом узле 5 выгрузки и закрытом нижнем устройстве 4 для подачи и выхода технологических жидкостей. Твердую фазу смешивают с водой в пропорции 1:2 и загружают в аппарат в виде полученной водной суспензии. При этом твердая фаза находится в неразбухшем состоянии и имеет минимальный объем. Уровень загрузки контролируют визуально через открытый узел 8. Загрузку прекращают тогда, когда уровень твердой фазы достигнет нижней поверхности крышки 6. Излишки жидкости периодически сливают через нижнее устройство 4 для подачи и выхода технологических жидкостей. Герметичность соединения секций 1 и 2 обеспечивается прижатием уплотнительного кольца 9 к сопрягаемым друг с другом поверхностям секций силой упругости, возникающей при нахождении кольца 9 в зазоре 11 между секциями. По окончании загрузки узел 8 загрузки, а также верхнее устройство 7 для подачи и выхода технологических жидкостей закрывают, после чего аппарат готов к работе.
Работа аппарата рассмотрена ниже на примере одного цикла ионообменного процесса, включающего последовательные стадии: сорбция, промывка, регенерация, промывка, осуществляемые после описанной выше загрузки твердой фазы, в качестве которой в данном случае используют ионит.
На стадии сорбции исходный раствор подают в аппарат через нижнее устройство 4 для подачи и выхода технологических жидкостей. Этот раствор фильтруется через ионит и выходит из аппарата через верхнее 7 устройство для подачи и выхода технологических жидкостей. Ионит на этой стадии набухает (увеличивается в объеме) и оказывает давление на внутреннюю поверхность аппарата. Вследствие того, что внутренняя секция 2 соединена с наружной секцией 1 не жестко, а имеет степень свободы вдоль вертикальной оси, она перемещается вверх со скоростью, пропорциональной скорости набухания ионита. Уплотнительное кольцо 9 перемещается, беспрепятственно перекатываясь внутри зазора 11 по внутренней поверхности наружной секции 1 по направлению к ее верхнему торцу и по наружной поверхности внутренней секции 2 по направлению к ее нижнему торцу. Герметичность подвижного соединения секций 1 и 2 друг с другом сохраняется в неизменном виде, так как силы упругости материала кольца 9 при его качении по сопрягаемым поверхностям секций 1 и 2 продолжают прижимать его к ним. При перемещении секции 2 вверх защитное кольцо 10 скользит по внутренней поверхности секции 1 и препятствует проникновению частиц твердой фазы внутрь зазора 11 в пространство между этим кольцом и уплотнительным кольцом 9. В момент завершения стадии сорбции процесс набухания ионита прекращается, его объем достигает максимальной величины, внутренняя подвижная секция 2 останавливается на максимальной высоте и остается на этой высоте вплоть до начала стадии промывки.
2
3
2
2
В некоторых случаях при пропускании через твердую фазу (ионит) растворов щелочей выделяется углекислый газ по формуле: R-H + NaCO = R-Na + НО + СО↑, что приводит к повышению внутреннего давления в аппарате. В этом случае секция 2 автоматически приподнимается на высоту, соответствующую величине избыточного давления газа, а после выхода газа вместе с отработанным раствором и выравнивания внутреннего давления автоматически опускается на прежнее место.
Следующая стадия (промывка) необходима для вытеснения исходного раствора из порозностного пространства перед стадией регенерации. Промывку проводят дистиллированной водой, подавая ее сверху вниз. Внутренняя секция 2 в течение данной стадии может еще подняться вверх, так как некоторые иониты (например, КБ-4) в разбавленных растворах набухают интенсивнее, чем в концентрированных, а в данном случае происходит именно разбавление предыдущего раствора до его полного вытеснения. К концу промывки разбухание твердой фазы прекращается, и секция 2 находится в наивысшей точке своего подъема.
На стадии регенерации регенерационный раствор подают снизу вверх, как и на стадии сорбции. На этой стадии объем ионита уменьшается, одновременно опускается вниз под действием собственного веса внутренняя секция 2 аппарата. Уплотнительное кольцо 9 перемещается, беспрепятственно перекатываясь внутри зазора 11 по внутренней поверхности наружной секции 1 по направлению к ее нижнему торцу и по наружной поверхности внутренней секции 2 по направлению к ее верхнему торцу. В конце стадии регенерации объем твердой фазы (в данном случае - ионита) и положение внутренней секции 2 оказываются в исходном состоянии, как перед стадией сорбции.
Осуществляемая после стадии регенерации стадия промывки необходима для вытеснения регенерационного раствора из порозностного пространства перед очередной стадией сорбции. Промывку проводят дистиллированной водой, подавая ее сверху вниз. Внутренняя секция 2 в течение этой стадии находится неподвижно в нижнем положении, так как объем твердой фазы (в данном случае - ионита) не изменяется. По завершении этой стадии аппарат готов к следующему циклу процесса.
Как видно из приведенного описания, предлагаемая конструкция аппарата обеспечивает автоматическое увеличение его рабочего (внутреннего) объема вслед за увеличением объема находящихся в аппарате и поступающих в него веществ. При этом сохраняется герметичность соединения движущихся частей аппарата и отсутствует необходимость в приложении внешних усилий для уменьшения внутреннего объема аппарата и возвращения его к исходному состоянию вслед за уменьшением объема находящихся в нем веществ.
Источники информации
1. Ю.И. Дытнерский. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. - Москва, "Химия", 1995, - 368 с.
2. Д.А. Баранов, A.M. Кутепов. Процессы и аппараты. - Москва, "Химия", 2004, - 304 с.
3. Патент РФ №2434679, опубл. 27.11.2011.
4. Авторское свидетельство СССР №1603118, опубл. 3010.1990.