Способ проведения массо(тепло) обменных, химических и микробиологических процессов и аппарат для его осуществления
Похожие патенты | МПК / Метки | Текст | Заявка | Код ссылки
Текст
СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК эа) В 01 011 04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТОРСКО ИДЕТ ЕЛЬСТВУ дисперсной фазы, мвающая способность (персной фазе, м /м;ное сечение кон- расход - удержипо дис - проходной з фаз,такт- жению ы аппарата д шной фазы,остей фаэ,лот нос и азностьг/м; от вя экос нематичес с м;м;3 ежфазноеиаметр ка яжение, неса 2.денияческихсов,фо которыхрами, рцилинд дан в щий сифика изводи меии к ры уст щенных лены в 8 (1-ЕЮ - +ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТЙ(71) Казанский ордена Трудового Красного Знамени химико-технологическийинститут им, С,М. Кирова(56) 1. Авторское свидетельство СССРпо заявке Н 3225892/23-26,кл. В 01 0 11/04, 11.06.81,2. Шкоропад Д.Е. и Ласковцев И.В.Центробежные жидкостные экстракторы,М., Машгиз, 1962, с. 49-51.3. Авторское свидетельство СССРпо заявке В 3271308/23-26,кл. В 01 0 11/04, 1981.(54) СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ МАССО-(ТЕПЛО)ОБМЕННЫХ, ХИМИЧЕСКИХ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГООСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ проведения массо-(тепло)обменных, химических и микробиологических процессов в двухфазныхсистемах путем диспергирования однойиз фаз в другой при прямоточном контактировании в поле центробежных сил,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с цельюинтенсификации процесса, увеличения производительности и регулирования времени контакта фаэ, придиспергировании тяжелой фазы ее подают На периферию центробежного поля,а при диспергировании легкой фазы ееподают в центр центробежного поля,при этом расход сплошной фазы Яопределяют из соотношения ь ЯО 1103877 А угловая скорос иротора, 1/с;- критерий Рейнольдса;- коэффициент гидродинамичкого сопротивления капли- расстояние от оси вращениядо рассматриваемой точкиконтактной эоны аппарата,м. Центробежный аппарат для прове- массо-(тепло)обменных, химии микробиологических процесключающий корпус, вращающийся с насадкой, выполненный в оаксиально расположенных перванных цилиндров, отверстияснабжены соплами и диффуэоасположеиными на соседних рах радиально, устройства ввоывода фаз, о т л и ч а ю - с я тем, что, с целью интенции процесса, увеличения протельности и регулирования вреонтакта фаэ, сопла и диффузоановлены на цилиндрах, размена периферии ротора и направсторону оси ротора.1103877 35 3. Центробежный аппарат для проведения массо-(тепло)обменных, химических и микробиологических процессов, включающий корпус, вращающийся ротор с насадкой, выполненный в виде коаксиально расположенных перфорированных цилиндров, отверстия которых снабжены соплами и диффузо 1Изобретение относится к химической технологии и может найти применение в различных производствах химической,коксохимической, нефтяной, химико-фармацевтической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности для осуществления процессов массообмена (экстракция), тепло- обмена (нагрев, охлаждение), химических (включая гетерогенные) и биологических превращений (например, в производстве пенициллина и других антибиотиков из культурных жидкостей) в системах жидкость - жидкость, жидкость - твердое тело. 15Известен способ и устройство для проведения массообменных процессов двухфазных систем путем диспергирования одной из фаз в другой - сплошной фазе - и контактирования их в ноле центробежных сил, когда жидкости во время их контакта движутся в роторе аппарата непрерывно и противо- точно 1.1 1.Устройство (центробежный экстрак тор) для осуществления известного способа содержит кожух с расположенным в нем ротором с насадкой, контах ная эона которого выполнена в виде профилированной щели, устройство ввода и вывода фаз Г 13Недостатками известного способа и соответственйого устройства для его осуществления являются низкая производительность, которая ограничена скоростью движения капель и режимом захлебывания аппарата (инверсия фаэ), низкая эффективность массообмена в сплошной фазе, обуслов ленная тем, что при противоточном40 движении фаэ в контактной зоне аппарата легкая фаза, как правило, ;движется в ламенарном режиме, которами, расположенными на соседних цилиндрах радиально, устройства ввода и вывода фаз, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что сопла и диффуэоры установлены на цилиндрах, размещенных в центре ротора и направлены к периферии ротора. 1рому соответствует в основном молекулярный (диффузный) перенос вещества. При известном способе практически исключается возможность регулирования времени пребывания капель дисперсной фазы в аппарате, ибо соотношение между центробежной силой и силой гидродинамического сопротивления, действующей на каплю при ее движении в контактной зоне аппарата, непрерывно меняетея по радиусу аппарата.Недостатком известного устройства (центробежного экстрактора) для осуществления известного способа является наличие "мертвых" зон в виде секторов в центральной части контактной эоны аппарата, между соплами для диспергирования тяжелой фазы, в которых исключается контакт фаз и, сле. довательно, снижается эффективность единицы объема контактной зоны аппарата.Наиболее близким к предлагаемому является способ проведения массообменных процессов двухфазных систем путем диспергирования одной из фаз в другой - сплошной фазе - и контактирования их в поле центробежных сил, когда жидкости во время их контакта движутся прямоточно (контакт жидкостей осуществляется при прямо- точном движении) 2."1 и 3 3Недостатком известного способа и устройства (экстрактор-сепаратор) для его. осуществления является то, что контакт жидкостей и сепарирование фаэ протекает раздельно. Поэтому в каждой конструкции центробежного экстрактора непрерывного действия с прямоточным движением жидкостей при их смешивании имеются, как минимум, два устройства, одно из кото30 3 11038 рых обеспечивает механическое пере мешивание жидкостей, а другое - разделение полученной смеси на исходные фазы. Смешение жидкостей осуществляется в аппаратах с мешалками, 5 эжекторах, центробежных и вихревых насосах, либо непосредственно в турбулентном потоке. Разделение полученных жидких смесей осуществляется в сверхцентрифугах и тарельчатых 10 сепараторах. К недостаткам известного способа и устройства для его осуществления, кроме указанных выше, относится эффективность процесса массообмена и разделения фаз, невоз можность регулирования времени контакта фаз, ибо пребывание частиц в смесительных устройствах подчиняется вероятностно-стохастическим законам с определенным разбросом как по 0 времени пребывания в смесительном устройстве, так и с определенной долей вероятности проскока частиц через смесительное устройство, не вступивших во взаимодействие с другой р 5 фазой. Тонкослойное разделение эмульсий в межтарельчатых пространствах сепараторов в ламинарном режиме обус. ловливает низкую производительность последних.Известно устройство (центробежный аппарат) для осуществления известного способад которое содержит кожух с размещенным в нем ротором с насадкой, выполненной в виде коакси/35 ально расположенных перфорированных цилинцров, отверстия которых снабжены соплами и диффузорами, расположенными на соседних цилиндрах, в чередующейся последовательности, перегородки, устройство ввода и .вывода; фаз, аппарат снабжен,переточными патрубками, установленными на цилиндрах с соплами, а перегородки .выполнены выпуклой формы и установлены перед каждой парой диффузоров 2 и 33,Недостатками известного способа в устройствах (центробежный аппарат) для его осуществления являются низкая интенсивность процесса, малая 50 производительность по легкой. Фазе и невозможность регулирования времени контакта фаз. Указанные недостатки 1 обусловлены тем, что процесс массо- обмена интенсивно протекает в момент 55 соударения потоков и на начальном участке диффузора, где имеет место большой градиент относительной ско ООс)(1-5 Д+ 25где ( ход диживающпо д персной фазы,мз ая способность сперсной фазе,рас- удер- межфазное- диаметр к- угловая сротора, 1 контактдвижени сечени т сплошно зыу тн кая вязкость,натяжение, Н/м;пель (частиц), м;орость вращения 77 4рости фаз и, как результат, наличиебольших касательных напряжений награнице раздела легкая фаза - тяжелая,обуславливающих турбулентные пульсации в движущихся в прямотоке фазах.Но мере движения по диффузору скорости движения фаз выравниваются, иотносительная скорость движения стремится к нулю, исчезают касательныенапряжения на границе раздела фаэ и,следовательно, интенсивность процесса масссообмена надает. Производительность аппарата по легкой фазеопределяется коэффициентом инжекциив паре сопло-диффузор, время же пребывания фаз в контактной зоне всецело определяется балансом сил, действующих на фазы и регулированию неподдается,Цель изобретения в , интенсификация процесса, увеличение производи"тельности, возможность регулированиявремени контактов фаз.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу проведениямассо-(тенло)обменных, химическихи микробиологических процессов в двухфазных системах путем диспергирования одной из фаз в другой при прямоточном контактировании в поле центробежных сил, при диспергированиитяжелой фазы ее подают на перифериюцентробежного поля, а при диспергировании легкой фазы ее подают вцентр, центробежного поля при этомрасход сплошной фазы Яс определяютиз соотношения55 для прямотока О О4Я 5 (1 Е 5 ЗО Зиак перед скобками в выражении (5) берется с учетом направления век. тора относительной скорости и вектора направления капли (частицы). Нижние индексы: с - сплошная фаза; д - дисперсная фаза;. - индекс,35 указывающий местоположения рассматриваемой точки контактной эоны относительно оси ротора.Цель изобретения обеспечивается также тем, что в центробежном аппара 40 те для осуществления способа проведения массо-(тепло)обменных, химических и микробиологических процес" сов, включающем корпус, вращающийся ротор с насадкой, выполненный в ви- .45 де коаксиально расположенных перФорированных цилиндров, отверстия которых снабжены соплами и диффузорами, расположенными на соседних цилиндрах радиально, устройства ввода и вывода фаз, сопла и диффузоры установлены на цилиндрах, размещенных на периферии ротора и направЛены в сторону оси ротора. Ке - критерий РейнольдсаКе= в1 1Чф - коэффициент гидродинамичес-кого сопротивления капли(частицы);К ; расстояние от оси вращениядо рассматриваемой точкиконтактной зоны аппарата,мдля капель при Ке1; С 1 2 м 2 РО,Ф 5 о,иМ: О,7 (21 4 Гс для частиц при 1 ( Ке ( 2500;Мф= + -. (З)24. 5 5 3)РЕ Яе И -относительная скоростьдвижения фаэ (скоростьскольжения фаз), м/с, опре"деляемая иэ соотношениядля противотока Кроме того, в центробежном аппарате для осуществления способа сопла 5 диффузоры установлены на цилиндрах, размещенных в центре ротора иобращены к периферии ротора.На фиг. 1 изображен вариант общего вида центробежного аппарата в 5 разрезе, для случая, когда сечениедиффузора изменяется в горизонтальной и постоянно в вертикальной плоскости, сопла и диффуэоры установленына цилиндрах, размещенных на периферии ротора; на фиг. 2 - разрезА-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вариантобщего вида центробежного аппаратав разрезе для случая, когда сечениедиффуэора изменяется в вертикальной.и постоянно в горизонтальной плоскости, а сопла и диффуэоры установленына цилиндрах, размещенных на перифе"рии ротора; на фиг. 4 - разрез Б-Бна фиг. 3; на фиг, 5 - вариант общегс 50 вида центробежного аппарата в разрезе для случая, когда сечение диффузора изменяется в вертикальной ипостоянно в горизонтальной плоскости, а сопла и диффузоры установленына цилиндрах, размещенных в центреротора; на фиг, 6 - разрез В-В нафиг. 5.Центробежный аппарат содержит кожух 1, ротор 2, коаксиальные цилинд"ры 3 и 4, сопла 5 диффузоры 6, пакет конических тарелок 7, камеры 8и 9 с помещенными в них напорнымидисками 10 и 11, камеры 12-15, радиальные каналы 16 и 17, латрубки вво.да 18 и 19 и вывода 20 и 21 фаз.Центробежный аппарат работаетследующим образом.Сплошная фаза н дисперсная Фазапо патрубкам подвод 18 и 19 и каналам, 16 и 17 поступают в камеры15 и 14 соответственно. Далее сплошная фаза за счет центробежного давле.ния и давления в линии подачи сплошной фазы в аппарат через сопла 5выбрасывается в контактную зону аппарата - диффузоры 6, инжектируя дис.персную фазу. Образовавшаяся эмульсия, пройдя зону контакта при движении с периферии к центру аппарата,через отверстия 22 поступает .на разделение в пакет конических тарелок7, в межтарельчатых пространствахкоторых под действием центробежныхи архимедовых сил вытеснения Фазы сепарируются. Отсепарированная легкаяфаза собирается в камере 12 и через отверстия перетекает в камеру 8, откуда с помощью напорного диска 10 попатрубку 20 выводится из аппарата,Отсепарированная тяжелая фаза собирается в камере 13 откуда перетекает в камеру 9 и с помощью напорного диска 11 по патрубку 21 выводится из аппарата.Отличительная особенность работы аппаратов, изображенных на фиг.и 3 от изображенного на фиг. 5, состоит в направлении движения эмульсии в контактной зоне аппарата, соответственно с периферии к центру и наоборот, в соответствии с балансом сил; силы гидродинамического сопротивления и центробежной силой (для первого случая) и аналогом архимедовой силы вытеснения в центробежном поле - во втором.Преимущества способа и центробежного аппарата для его.осуществления иллюстрируются следующими положениями.Увеличение производительности. В основу предлагаемого способа и центробежного аппарата.для его осуществления положен принцип прямоточного движения фаз: с периферии к ценцентру ротора - при диспергировании тяжелой фазы н от центра к периферии. ротора - при диспергировании легкой Фазы, т.е. в обоих случаях движение противоестественно для центробежного поля и оно возможно лишь только тогда, когда сила гидродинамическо" го сопротивления (скоростной напор) сплошной среды превьппает величину центробежной силы, действующей .на капли (частицы) в первом случае, и архимедову силу вытеснения - во вто- ром. На создание требуемого скоростного напора для преодоления вьнпеуказанных сил требуется значительный расход сплошной фазы (как правило, на порядок превышающий расход спйошной фазы в аналогичных условиях для противоточных аппаратов) и, следовательно, увеличение производительности. Если для противоточных аппаратов существует верхний предел по нагрузкам - режим захлебывания аппарата, сопровождаемый инверсией фаз, то при предлагаемом способе диапазон работы центробежного аппарата прос-. тирается от состояния псевдоожижения, когда неравенство (1) преобра зуется в равенство, до бесконечности (по практическим соображениям до состояния, когда ЮО, ибо в этом случае резко падает.интенсивность процесса массообмена, химичес-ких и микробиологических процессов).Интенсификация процесса.Значительный расход сплошной фазы5 обусловливает существование развитого турбулентного режима движениясплошной среды. Если в аппаратах спротивоточным движением фаз сплошная фаза движется, как правило, вО ламинарном режиме движения, которому свойственен молекулярный (диффузионный) перенос вещества в фазах,и, следовательно, низкая интенсивность процесса массообмена, то при15 предлагаемом способе сплошная фазадвижется при развитом турбулентномрежиме, сопровождаемом интенсивнымконвентивным переносом, следовательно, значительно интенсифицируется про"20 цесс массопереноса в фазах. Интенсивный турбулентный режим движениясплошной фазы способствует интенсив"ности циркуляции жидкости внутрикапель дисперсной фазы, деформации25 и дроблению последних, т.е. обновлению поверхности и интенсификации про.цесса массообмена, химических и микробиологических процессов,Возможность регулирования времени30 контакта фаз.Регулирование времени контактафаз при известных способах .проведения процессов массо-(тепло)обменалибо затруднено (противоточное движение фаз в аппаратах центробежноготипа)либо слишком проблематично,условно (в перемешивающих устройствах, например, в аппаратах с мешалкой), обусловлено вероятностно-стохастической природой явления.При Предлагаемом способе пред"ставляется воэможность регулированиявремени контакта фаз.45Время пребывания капель (частиц)в контактной зоне аппарата всецелоопределяется длиной зоны контактаи скоростью их движения, .последняяопределяется из баланса сил: силыгидродинамического сопротивления 50(скоростного напора сплошной среды)и центробежной силы, либо архимедовойсилы вытеснения, т.е. время пребывания капель (частиц) в контактной зонеаппарата - время контакта фаз - всецело определяется расходом сплошнойфазы. Следовательно, существует одно"значная зависимость времени контактафаз от расхода сплошной среды. Изметеснения) по радиусу аппарата, действующей на капли, изменением величинысилы гидродинамического сопротивления сплошной среды (скоростного напора сплошной среды) по радиусуаппарата за счет изменения проходного сечения зоны контакта такимобразом, чтобы режим движения капель(частиц), а следовательно,. и их скорость оставались неизменными, Восколько .раз изменяется величина центробежной силы (либо аналога архимецовой силы вытеснения в центробежномполе) по радиусу аппарата, действующей на капли (частицы), во столькораз должна изменяться по радиусуаппарата величина. силы гидродинамического сопротивления сплошной средыцвнжению капли, последняя же определяется проходным сечением зоны конняя расход сплошной фазы, можно получить широкий диапазон времени конр.такта фаз (практически от бесконечности, когда неравенство (1) переходит в равенство и наступает режим 5псевдоожижения, до состояния когдаО, то в этом случае У -ф.О и фазымгновенно покидают зону контакта).Реальный режим работы аппарата должен определяться при решении компромиссной минимаксной задачи: такта,Проверка предлагаемого способа иаппарата для его осуществления пооводилась на лабораторной моделиаппарата диаметром 400 мм с длинойзоны контакта по радиусу 110 мм припроведении процесса экстракции насистеме керосин-фенол-вода (извлечение Фенола из керосина водой) причисле оборотов ротора 1500 об/мин,и объемном соотношении фаз Й 9 =3(1,1/3.Исследования показали, что интенсивность процесса возросла на 40-бОХпри расходах фаз, на порядок превышающих расходы при аналогичных режимах при противоточном движении фаз. Предельную производительность аппарата нри предлагаемом способе выявитьне удалось из-эа ограниченных возможностей экспериментальной установки, Визуальные наблюдения в страбосконическом освещении за движением Фаз в контактной зоне аппарата (модель аппарата изготовлена из оргстекла) показали, что скорость движения капель в контактной зоне аппарата,а следовательно, и время пребывания .их в зоне контакта находятся в прямой зависимости от расхода сплошной Фазы. Возможность регулирования режима движения фаз в аппаратах и время кон такта фаэ открывает широкую перспективу для интенсификации технологичесции процессов при проведении последних согласно предлагаемого способа и аппарата для его осуществления.Предлагаемый способ для проведения массо-(тепло)обменных процессов и К - ф шах;е- ,- в. ш 1 п, 15где К - коэффициент массопереноса;1- суммарная производительностьаппарата по Фазам;Ф - время контакта Фаз,Центробежный аппарат для осуществ бления способа, в котором сопла и диффуэоры установлены на цилиндрах,размещенных на периферии ротора (вцентре ротора) радиально и обращеныв направлении осй ротора (к периферии ротора), позволяет интенсифицировать процесс, увеличить производи"тельность и создает возможность регулирования времени контакта Фаз.Интенсификация процесса массо;-(тепло)обмена химических и микробио.логических процессов в предлагаемомаппарате достигается не только наначальном участке зоны контакта,обусловленном эффектом инжекции, но35и на всем пути прохождения капель,(частиц) в контактной зоне аппарата, при конвективном массообмене,вызванном высокоразвитым турбулентным режимом движения сплошной фазы,Высокая производительность аппарата обусловлена предлагаемым способом, самой природой прямоточногодвижения фаэ, существование которогвозможно лишь только в случае превы"45щения гидродинамической силы сопротивления (скоростного напора сплошной фазы) над центробежной силой, (либо аналогом архимедовой силы вы-теснения в центробежном поле), действующей на капли (частицы) в центро"50бежном поле.фВыполнение зоны контакта в формедиффузоров исключает возможность , ких процессов и полной автоматизаобразования "мертвых" зон в контакт-ной зоне аппарата, в которых нсклю 55чается контакт фаз, позволяет сбалансировать изменение центробежной силы(либо аналога архимедовой силы вы1103877 2 Ф юг аппарат для его осуществления, посравнению с известными, применяемымив промышленности способами с прямо-точным и противоточным движениемконтактируемых фаз и аппаратами для 5их осуществления (трубчатые центрифуги СГТ, СГС, экстрактор с волнообразной насадкой), принятымиза базовый образец, позволяет интенсифицировать процесс массообменана 40-602, увеличить производительность аппарата на порядок и создаетвозможность регулирования времениконтакта фаз.
СмотретьЗаявка
3415916, 29.03.1982
КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ХИМИКО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. С. М. КИРОВА
ФИЛИМОНОВ АНАТОЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ, МАХОТКИН АЛЕКСЕЙ ФЕОФИЛАТОВИЧ
МПК / Метки
МПК: B01D 11/04
Метки: аппарат, массо(тепло, микробиологических, обменных, проведения, процессов, химических
Опубликовано: 23.07.1984
Код ссылки
<a href="https://patents.su/9-1103877-sposob-provedeniya-massoteplo-obmennykh-khimicheskikh-i-mikrobiologicheskikh-processov-i-apparat-dlya-ego-osushhestvleniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ проведения массо(тепло) обменных, химических и микробиологических процессов и аппарат для его осуществления</a>
Предыдущий патент: Пульсатор
Следующий патент: Устройство для очистки нефтесодержащих вод
Случайный патент: Устройство для световой сигнализации