Пульсационный реактор

(я 5 В 01 Г 1/00 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВ Е Н НОЕ ПАТЕ НТНОВЕДОМСТВО СССР(72) А,Н,Ковальчук, В.Д.Лакиза,В.И.Осипов, А.П.Собко и М.Н.Сыровец(56) 1. Авторское свидетельство СССРИф 997764, кл, В 01 Р 1/00, 1981.2. Авторское свидетельство СССРМф 1528549, кл. В 01 Г 1/00, 1988,Изобретение относится к конструкции устройств для растворения твердых дисперсных материалов и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности, .Известен пульсационный реактор для растворения дисперсных материалов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с днищем и крышкой, коаксиально установленную в корпусе цилиндрическую обечайку с усеченным конусом, закрепленным большим основанием на внутренней поверхности верхней части корпуса, опорную перфорированную решетку, закрывающую нижний торец обечайки, патрубки ввода и вывода сжатого воздуха с диспергаторами, из которых последний снабжен пневмоклапаном (11, Цилиндрическая обечайка и конус разделяют внутреннее про" странство корпуса на две полости- центральную и кольцевую, сообщенные(57) Сущность изобретения, Реакторзаполняется растворителем и диспврсным материалом, в центральный патру,бок ввода воздух проходит через открытый торец колокола и барботируетчерез слой растворителя. Затем включается гидравлический пульсатор, возбуждающий переменное давление. Газовый "рой" выполняет роль упругогоэлемента системы жидкость-газ, чтообеспечивает максимальную интенсивность массообмена в объеме аппарата1 ил,между собой через зазор между днищем корпуса и торцом обечайки, При работе реактора происходит попеременное перетекание растворителя из одной полости в другую и омывание им дисперсного материала, загружаемого на перфорированную решетку. Однако скорость омывания растворителем дисперсного материала в известном устройстве невелика, что обуславливает низкую интенсивность процесса растворения.Наиболее близким к предложенному по достигаемому эффекту являетсяпульсационынй реактор для растворения дисперсных материалов 2, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с днищем и крышкой, патрубки ввода и вывода сжатого воздуха, цилиндрическую обечайку с усеченным конусом, верхний и нижний диспергаторы, опорный элемент, установленный в нижней части корпуса. Опорный элементриала, находящийся на поверхности конуса, и осуществляется процесс растворения дисперсного материала. Кроме того, происходит диспергирование воздуха, проходящего через раствор, что способствует перемешиванию раствора.9 данном реакторе интенсивность процесса массообмена между дисперсным материалом и растворителем опре.- 40 деляется в основном скоростью перетекания растворителя между полостями, которая зависит от скорости заполнения кольцевой полости воздухом (т.е. опорожнения) и скорости последующего 45 ее заполнения раствором. Однако скорость опорожнения кольцевой полости путем выдавливания из нее раствора свободно подаваемым воздухом невелика ввиду малой движущей силы процесса и большого гидросопротивления кольцевого зазора между полостями и слоя дисперсного материала. Также невысока скорость заполнения кольцевой полости раствором под действием гидростатического давления столба жидкости сообщенной с ней центральной тполости реактора ввиду малой движущей силы процесса и большого гидросопровыполнен в виде конуса, установленного с зазором относительно днища корпуса и образующего кольцевой зазор с торцом цилиндрической обечайки, а патрубок ввода воздуха установлен поцентру корпуса и нижний конец его в введен под конический опорный элемент. На патрубке вывода воздуха установлен пневмоклапан, соединенный через блок управления с чувствительным элементом - датчиком уровня, установленным в жидкостной части корпуса. Перед работой в реактор загружа - ют дисперсный материал и заполняют ,его растворителем до определенного уровня. Заполнение производят при открытом пневмоклапане, и раствори- тель заполняет как центральную, так и кольцевую полости реактора, В процессе работы реактора производятся подача сжатого воздуха через центральный патрубок под конический опорный элемент и периодическое открытиеи закрытие пневмоклапана по сигналамдатчика уровня, что вызывает поочередное заполнение растворителем и опорожнение кольцевой полости. Приэтом происходит поочередное перетекание растворителя из одной полости в другую через слой дисперсного мате 1015 2025 тивления зазора и слоя материала. Поэтому данная конструкция не можетобеспечить высокую интенсивность процесса массообмена между дисперснымматериалом и растворителем, следовательно высокую скорость растворениядисперсного материала. Низкая интенсивность процесса массообмена при растворении не позволяет сократить продолжительность рабочего процесса, ограничивает предельную концентрациюполучаемого раствора, приводит к повышенным затратам энергии,Целью предложенного техническогорешения является повышение интенсивности процесса растворения дисперсныхматериалов и снижение энергозатрат.Цель достигается за счет того, чтопульсационный реактор, содержащийвертикальный цилиндрический корпус,центральный патрубок ввода сжатоговоздуха, опорный элемент, размещенныйу днища корпуса, и патрубок.выводавоздуха с пневмоклапаном, соединенныйчерез блок управления с чувствительным элементом, установленным в жидкостной части корпуса, снабжен установленным в стенйе корпуса внешнимпатрубком, сообщающим жидкостнуючасть корпуса с гидравлическим пульсатором, опорный элемент выполнен ввиде горизонтальной решетки, пере крывающей сечение корпуса и закрепленной на его стенке, на нижнем кон-це патрубка подвода сжатого воздухазакреплен полый цилиндрический элемент в виде колокола, размещенныйнад опорным элементом, а чувствительный элемент выполнен в виде датчика,величины гидроцинамического давления.Конструкция предложенного пульса-.ционного реактора приведена на прилагаемом чертеже, Реактор содержитвертикальный цилиндрический корпус 1с днищем 2 и герметичной крышкой 3,центральным патрубком 1 ввода сжатого воздуха, патрубком 5 вывода воздуха с пневмоклапаном 6 и патрубком 7для выгрузки готового продукта.Над днищем 2 в корпусе 1 размещенопорный элемент, выполненный в видегоризонтально установленной плоскойрешетки 8, перекрывающей сечение корпуса и закрепленной на его стенке, Внижней части корпуса 1 над решеткой8 размещен полый цилиндрический эле-,мент 9, выполненный в виде колокола, ,обращенного своим открытым торцом в5 1813531 6сторону днища 2. Колокол 9 закреплен: газ и увеличивается турбулизация .на нижнем конце центрального патруб.- объема жидкости. Собственная частотака 4 ввода воздуха, при этом внутрен- колебаний образованной системы жидняя полость колокола сообщена с внут кость-газ согласно расчетно-экспериренней полостью патрубка. В боковой ментальным данным выражается зависистенке корпуса 1 на уровне размещения ,мостьюколокола 9 выполнено отверстие, в кои Р Ртором установлен внешний патрубок 10,- Г = в в в -, Гц,Ч Ь о фсообщающий жидкостную часть корпуса 1 рс гидравлическим пульсатором (на чер- где п - показатель,адиабаты для га" .теже не показан). Установленный на . за;патрубке 5 пневмоклапан 6 через блок . Р - давление над свободной поуправления 11 соединен с датчиком ве- . верхностью жйдкости, дин/см;личины гидродинамического давления 15Р - площадь сечения торца колоко 12, установленным в жидкостной части . ла, смз;корпуса,. Ч - объем внутренней полости коПульсационный реактор работает локола, смз;следующим образом, : Ь - высота столба жидкости над "Вначале производятся заполнениереактора растворителем и загрузкадисперсного .материала, при этом устанавливается заданный уровень заполне- Предварительной настройкой илиния реактора, составляющий 0,8-0,85 2 подстройкой пул 4 сатора устанавливаютвысоты корпуса 1. Загружаемый дисперс- . его частоту равной собственной час"ный материал проходит через решетку 8 : : тоте колебаний образованной в реакто"и располагается на днище 2, при на--ре системы жидкость - газ, за счетличин крупных кусков материала они. чего возбуждается. резонансный режимзадерживаются на решетке 8 - размеры колебаний системы - режим виброрезо.ячеек решеткиподбираются в зависи-.М нанса,мости от вида и дисперсности раство-В этом режиме резко возрастает (вряемого материала, Герметично закры- . 4 - 4,5 раза) гидродинамическое даввается крышка 3, пневмоклапан 6 наление и увеличивается турбулизацияпатрубке 5 выхода воздуха открыт, За- объема жидкости, в которой образуюттем включается подача воздуха через З ся мощные турбулентные пульсирующиецентральныйпатрубок 4 с размещенным потоки. Увеличение гидродинамическона его нижнем конце колоколом 9: воз-:" го давления в реакторе фиксируетсядух выходит через открытый торец ко- датчиком 12, по сигналу которого блок .локола, барботирует через слой раст-, : управления 11 автоматически закрываетворителя и отводится из реактора че пневмоклапан 6 на патрубке 5 выводарез патрубок 5, При этом залитый в " воздуха, и внутрейняя полость корпукорпус растворитель и воздух, запол- са 1 герметизируется. Одновременноняющий полость колокола 9, образуют . перекрывают подачу воздуха в реакторнелинейную колебательную систему жид- . через центральный патрубок 4, этокость-газ, где воздух является упру также. может быть сделано автоматигим элементом, жидкость (раствори- чески с помощью блока управления 11тель) - инерционным, Динамический :,по сигналудатчика 12. В резонансномконтакт (взаимодействие) элементов режиме турбулентные потоки жидкостиданной колебательной системы осуще-захватывают из верхней части корпусаствляется через открытый торец. коло О свободный воздух, который в условияхкола. После включения подачи воздуха резких пульсаций давления дисперги-;включают (через 0,5-1 мин) гидравли- . руется на мйожество пузырьков, насыческий пульсатор, возбуждающий через. щающих объем жидкости (растворителя).патрубок 10 переменное (динамическое) Жидкость мгновенно переходит в сосдавление в жидкости-растворителе. Пе тояние гидрозоля, заполняющего весьриодические пульсации давления жид- объем корпуса, а в нижней части коркости через открытый торец колокола пуса (из днища) образуется плотное9 передаются газу, за счет чего воз- локальное скопление интенсивно взаи-буждаются колебания системы жидкость- модействующих между собой пузырьков55 воздуха, обладающих оцень высокойактивностью - газовый "рой",Газовый "рой", интенсивно взаимодействуя с жидкостью, выполняет рольупругого элемента, системы жидкостьгаз. При этом чувствительность колебательной системы повышается, так какповерхность динамического взаимодействия роя с жидкостью больше, чем на Оходящегося в колоколе воздуха, и интенсивность резонансных пульсацийсистемы возрастает. Кроме того, ройдополнительно турбулизирует жидкостьв нижней части реактора и интенсивновоздействует на частицы дисперсногоматериала, отбрасывая их с днища исетки в верхнюю часть реактора,Мощные турбулентные пульсирующиепотоки насыщенного воздухом растворителя интенсивно воздействуют надисперсный материал, находящийся внижней части реактора: крупные частицы материала интенсивно омываютсярастворителем, а более мелкие частицы захватываются потоками растворителя и совершают в его объеме интенсивные хаотические движения. При этомобеспечиваются оцень высокая интенсвиность массообмена твердой и жидкой ЗОфаз и высокая интенсивность растворения материала.1Кроме того, в рабочем режиме виброрезонанса в положительные полупериоды пульсаций давления жидкости величина пиковых значений его достигает1,3-1,5 ати, а в отрицательные полупериоды давление падает ниже упругости насыщенных паров растворителя. Врезультате этих пульсаций давления . 4 Опри разрежении в объеме растворителяобразуется масса кавитационных пузырьков, которые, схлопываясь, дополнительно турбулизируют рабочую смесь,что способствует интенсификации процесса растворения,В рабочем режиме резонанса частота пульсаций давления в предложенномреакторе лежит в пределах 30-60 Гц взависимости от физических свойств 5 Орастворителя и размеров аппарата, тоесть в сотни раз превышает частотупульсаций в прототипе. Это такжеобуславливает резкое повышение интенсивности массообменных процессовпри растворении материала.В предложенном реакторе отсутствуют застойные зоны, и в процессе растворения (т,е. взаимодействия с дисперсным материалом) участвует практйчески весь объем растворителя, таккак при работе реактора мелкодисперс"ные частицы материала равномерно (ввиде взвеси) распределены в объемерастворителя, а крупные частицы омываются турбулентными потоками растворителя с высокой кратностью циркуляции. Это обеспечивает максимальнуюинтенсивность массообмена между взаимодействующими фазами во всем рабочемобъеме аппарата.Таким образом, в предложенномпульсационном реакторе обеспечиваетсязначительно большая, чем в прототипе,:интенсивность массообмена между раст-ворителем и дисперсным материалом,что позволяет значительно повыситьинтенсивность процесса растворения .Это позволяет увеличить предельнуюконцентрацию растворенного продукта,сократить продолжительность рабочегопроцесса, уменьшить энергозатрэты,Например, при растворении сахара-сыр+ца в воде изобретение позволило в6-7 раз увеличить скорость растворе-ния: в предложенном реакторе относи-,тельное содержание сухого вещества(сахара) в растворе 98-993 было дос-тигнуто за 40 с работы, тогда как прирастворении известным методом этаконцентрация была получена через 4-4,5 мйн работы,Изобретение позволяет также сни- .зить металлоемкость и упростить конструкцию аппарата по сравнению с прототипом, где в процессе работы требуется непрерывная подача воздуха вкорпус при постоянных переключенияхпневмоклапана на патрубке отвода вбздуха,По окончании процесса растворениявыключают пульсатор, возбуждающий периодические пульсации давления в ра- .створителе, При этом гидродинамическое давление в реакторе исчезает,турбулизация объема растворителя прекращается и находящийся в нем воздухвыходят в верхнюю часть корпуса. За"тем открывают клапан 6 на дренажномпатрубке 5 и производят слив готово",го раствора через патрубок 7.Формула изобретения 1, Пульсационный реактор для раст-. ворения материалов, содержащий верти- кальный цилиндрический корпус, центральный патрубок ввода сжатого воз1813531 Редактор З,Хорина Составитель А.СакаянТехред И.Иоргентал Корректор С,Патруше Заказ 1800 ВНИИПИ Гасу Подписноеиям и открытиям при ГКНТ СССРая наб., д, 1/5 ственного комитета и 113035, Иосква, Ж изобрет 5, Раушжва ев изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10духа, опорный элемент, размещенный уднища корпуса, и патрубок отвода воздуха с пневмоклапаном, соединеннымчерез блок управления с чувствительным элементом, установленным в жидкостной части корпуса, о т л и:ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения интенсивности процесса растворения дисперсных материалов и 1 Оснижения энергозатрат, он снабженрасположенным в стенке корпуса внешним патрубком, сообщающим жидкостнуючасть корпуса с гидравлическим пульсатором, центральный патрубок снабженполым цилиндрическим элементом в видеколокола, при этом опорный элементвыполнен в виде горизонтальной решетки, перекрывающей сечение корпуса изакрепленной на его стенке под полымцилиндрическим элементом, а чувствительный элемент - в виде датчика гидравлического давления.