Центробежный прямоточный аппарат

.,8094 О 390,з В 01 0 11/04 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЪЙКГЯР 8) м 3 Ф 1 ЯОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1,л дс, г, , МК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУЙВБМВТЙА(54)(57) ЦЕНТРОБЕЖНЬЯ ПРЯМОТОЧНЫЙАППАРАТ, включающий корпус с размещенным в нем ротором с насадкой ввиде коаксиально расположенных ци(21) 3225781/23-26(56) 1. Патент США 9 3179333,кл. 233-15, 1969 (прототип).линдров и устройства ввода и вывода фаз, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью интенсификации процесса эа счет повьш 1 ения степени разделения фаз, увеличения производительности, улучшения качества готового продукта, расширения диапазона устойчивости работы и использования, цилиндры снабжены диффузорами и соплами, расположенными соосно друг другу и радиально в чередующейся последовательности относительно соседних цилиндров, при этом цилиндры с соплами снабжены переточными патрубками.1 9403Изобретение относится к устройствам для осуществления процессов массообмена (экстракция, абсорбция, десорбцня), теплообмена (нагрев, охлаждение), перемешивания (гомогенизация, смешение), химических и биологических превращений, очистки микро- туманов, аэрозолей, мокрой очистки газов от пыли, в системах жидкость- жидкость, газ-жидкость и может быть 1 О применено в различных отраслях промышленности.Известен центробежный экстрактор, содержащий корпус, ротор с насадкой, выполненный в виде коаксиально расположенных цилиндров со штампованными выступами и устройства ввода и вывода фаз1 3.К недостатк;:м данного аппарата относятся исключитеЛьная трудность в реализации выполнения заложенной в конструкции идеи однофазного истечения жидкостей через перфорации, выполненные в форме штампованных выступов. В самом деле, расположение штампованных выступов должно обеспечить однофазное истечение жидкостей: через выступы, обращенные к периферии должна проходить только тяжелая фаза при ее движении от центра к пе 30 риферии ротора, легкая же фаза должна проходить только через выступы, обращенные к оси ротора. Нормальная работа аппарата возможна только при наличии определенной толщины слоя тяжелой фазы с внутренней стороны перфорированных цилиндров, Если же толщина вышеуказанного слоя тяжелой фазы с внутренней стороны перфорированных цилиндров уменьшается до нуля или же возрастает до величины, пре вышающей высоту штампованных выступов, наступает двухфазное противоточное истечение жидкостей через отверс. тия и производительность аппарата резко падает.Следовательно, диапазон устойчивой работы аппарата крайне мал и всецело определяется высотой штампованных выступов перфораций. Все это влияет на производительность аппарата, интенсивность процессов массообмена и качество получаемого продукта, ибо не достигается требуемая степень извлечения (разделения).К недостаткам данного аппарата следует отнести относительную сложность в изготовлении штампованных выступов строго определенной высоты,90 2даже малые отклонения от номинальной высоты могут существенно сказаться на работе (т,е. производительности и интенсивности массообмена) как отдельных участков перфораций, так и всего аппарата в целом.Аппарат .может применяться исключительно только в процессах жидкостной экстракции, что значительно сужает область его применения.Целью изобретения является интенси. фикация процесса за счет повышения степени разделения фаз, увеличения производительности, улучшения качест ва готового продукта, расширения диапазона устойчивой работы и использования.Поставленная задача достигается тем., что, в предлагаемом центробежном экстракторе, содержащем корпус в распложенным в нем ротором с насадкой в виде коаксиально расположен ных цилиндров и устройства ввода и вывода фаэ, цилиндры снабжены диффузорами и соплами, расположенными соосно друг другу и радиально в чередующейся последовательности относительно соседних цилиндров, при этом цилиндры с соплами снабжены переточными патрубками.Соосное расположение диффузоров и сопл, укрепленных на соседних цилиндрах в чередующейся последовательности, радиально, а также радиаль ное расположение переточных патрубков, укрепленных на цилиндрах с соплами, позволяет оптимальным образом использовать центробежную силу, действующую на фазы при их движении в аппарате от центра к периферии ротора, что ведет к резкому увеличению производительности аппарата по отношению к прототипу, эффект инжекции в сочетании в полем центробежных сил. Это позволяет максимальным образом использовать кинетическую энергию рабочего потока (здесь и в дальнейшем, учитывая многоцелевое назначение аппарата, с целью упрощения последующего изложения рабочим потоком будем называть диспергируемую жидкость, т.е, фазу, имеющую плотность у , инжектируемым потоком будем называть жидкость, газ, микро- туман, аэрозоль и т.д.), которая засасывается (инжектируется) рабочим потоком и имеет плотность , причем Рд для транспортирования и турбулизации рабоче-инжектируемо3 9403го потока, создания максимально развитой межфазной поверхности, за счетчего достигается высокая интенсификация процесса массообмена.На фиг. 1 изображен экстрактор,продольный разрез; на фиг 2 - раз 5рез А-А на фиг. 1; .на фиг. 3 - узел 1на фиг. 2, на фиг. 4 - гидродинами"ческая картина движения потоков фаэв контактной зоне аппарата; нафиг. 5-7 - варианты профилей сеченийсопл; на фиг. 8-12 - варианты выпол"кения диффуэоров в разрезе,Центробежный прямоточный аппаратсостоит иэ корпуса 1, ротора 2 снасадкой, камер 3 и 4 для сбора, соответственно, инжектируемого и рабочего потоков. В камеры введены несвязанные с ними неподвижные напорные диски 5 и 6 для отвода потоков.20Подвод рабочего потока в зону контакта осуществляется по каналу 7, просверленному в залу 8, через распределитель 9. Подвод инжектируемогопотока в зону контакта осуществляется по каналу 1 О, просверленному в валу 11, через распределитель 12. Сепарация проконтактировавших потоковосуществляется в эонах 13, 14 сепарации, соответственно рабочего и инжектируемого. Отсепарированные Фазы30выводятся иэ аппарата с помощью напорных дисков 5 и 6 по межтрубнымпространствам 15, 16 приемо-выводного устройства,Рабочее пространство ротора эапол- З 5нено насадкой, выполненной в видекоаксиальных цилиндров 17, снабженных диффуэорами 18 и соплами 19,расположенными на соседних цилиндрах в чередующейся последовательности, причем диффузоры и сопла соосныдруг другу и уклеплены на цилиндрахрадиально, а на цилиндрах с сопламиустановлены переточные патрубки 20.Аппарат включает также камеру 21.Как сопла, так и диффузоры могутиметь различную форму,С учетом эмульгируемости контактирующих потоков и величины межфазного (поверхностного) натяжения подбирается соответствующая форма и размеры диффузора. Для систем, склонныхк эмульгированию (например масла исоставы на их основе) предпочтительней диффузоры, изображенные на 55фиг. 9 и 11, для систем, не склонныхк эмульгированию и малым межфазным(поверхностным) натяжениям, предпоч 90 аъительней диффузоры, изображенные наФиг. 8. В случае, когда требуется получить большую межфазную поверхность,предпочтительней диффузоры, изображенные на фиг. 10, 12.Аппарат работает следующим образом,Рабочий поток по каналу 7 и распределителю 9 поступает в сопла 19,откуда под действием центробежной силы выбрасывается в виде капель иструй в диффузоры 18, выполняющиероль смесительных камер. При движении с большой скоростью из сопла вдиффузор рабочий поток увлекает (инжектирует) инжектируемый поток из камеры 21 в диффузор 18, где происходитинтенсивное взаимодействие (турбулизация, смешение) рабочего и инжекти-руемого потоков с образованием высокодисперсной эмульсии,Проконтактировав, образовавшаясявысокодисперсная эмульсия при своемдвижении под действием центробежнойсилы от центра к периферии ротора достигает внутренней поверхности коаксиальных цилиндров 17 (см. Фиг. 4),где происходит расслаивание потоковс образованием двух слоев 22, 23 всоответствии с удельными весамивзаимодействующих потоков. Слой рабочего потока, имеющего большую плотность, является гидроэатвором дляинжектируемого потока, имеющего меньшую плотность. Последний, увеличиваясь, достигает высоты переточныхпатрубков 20 и по ним перетекаетна следующую ступень контакта, распо.ложенную ближе к периферии ротора.На следующих ступенях весь процессповторяется, пока контактируемыепотоки не достигнут периферии ротора.Достигнув периферии ротора, рабочийпоток поступает в сепарационную зону 13, где из него отделяется частично уносимый им инжектируемый поток.Отсепарированный рабочий поток поступает в камеру 4, откуда с помощьюнапорного диска 5 по межтрубномупространству 15 выводится из аппарата,Инжектируемый поток, достигнувзоны 14 сепарации, отделяется от частично уносимого им рабочего потокаи по переточным патрубкам 20 поступает в камеру 3, откуда с помощьюнапорного диска 6 по межтрубному пространству 16 выводится из аппарата.При движении контактируемых пото,ков в насадочной части аппарата, вы 940390, ц гйР.2 Е юг где- радиус рассматриваемой точкисмесительной камеры в сече- днии, перпендикулярном геомет.рической оси диффузора;- длина диффузора,йРф- - градиенты давлений и скоросдГтей потоков по сечению смесительной камеры.Эти касательные напряжения ь, Т"ведут к интенсивной турбулизациивзаимодействующих потоков, следовательно, достигается высокая дисперс 35ность распыла.Интенсивная турбулизация взаимодействующих потоков способствует многократному слиянию и распаду струйи капель и, следовательно, интенсифицируются процессы, происходящиев аппарате. Двигаясь с большой скоростью в смесительных камерах (диффузорах),поток эмульсии при выходеиз последних ударяется о межфазнуюповерхность 24 раздела фаз и далеепроникает в слой отсепарированногорабочего потока, достигнув внутренней поверхности коаксиальных цилиндров, ударяется в него, разбивается50на отдельные струи, капли. При ударе потока эмульсии о межфазную поверхность и далее, двигаясь в слоерабочего потока, в образовавшейсяворонке (лунке) срываются гребни,волны, бегущие по лунке, поток эмуль 55сии разбрызгивается, происходит интенсивное проникновение, насыщениекаплями (пузырьками, частицами) взаполненный в виде набора коаксиальныхЦилиндров, снабженных диффузорамии соплами, соосно расположенными насоседних цилиндрах в чередующейся последовательности и радиально, оптималь-ным образом используется эффект инжекции с направлением поля центробежных сил, - это ведет к резкому увеличению производительности аппарата иинтенсифИкации физических, химических,Офизико-химических, биологических, тепло- и массообменных процессов. Большие скорости контактируемых фаз, вы -сокие градиенты скоростей и давленийпотоков по сечению и длине смесительных камер (диффузоров) обуславливаетзначительные касательные напряжения(т) имодействующихпотоков. "Борода" пузырей (капель, частиц, мелких тонкихструй) интенсивно отрывается от лунки и в процессе поперечных колебанийлунки всплывает то с одной, то с другой стороны от нее, Разрушение межфазной поверхности приводит к резкому ее развитию, способствуя перемешиванию. Все это интенсифицирует процессы, происходящие в аппарате, а вслучае смешения (гомогени.ации) веществ улучшается качество продукта,его однородность.К достоинствам данного аппаратаследует отнести также отсутствие продольного перемешивания потоков фазпри их движении по аппарату; высокую скорость потоков в аппарате, высокую дисперсность распыла; малоегидравлическое сопротивление движениюпотоков; широкий диапазон режимов устойчивой работы аппарата, Аппаратпрактически может работать как принулевом расходе одного из взаимодействующих потоков, так и при нагрузках, превышающих пропускную способность инжекционной пары сопло-диффузорВ этом случае взаимодействующие потокибудут двигаться не только в системе сопло-диффузор, но и через переточные патрубки, которые в данном случае будутработать в режиме истечения и выполнять роль одновременно и как смесительные элементы, и как переточныепатрубки.Исследования по производительностипроводились на системе жидкость-жидкость (система; керосин в во) . Производительность аппарата по отношениюк прототипу возросла в 10-12 раз.Исследования по массообмену проводились на системах:а) жидкость-жидкость: керосин-фенол-вода (извлечение фенола из керосина водой),б) газ-жидкость: абсорбция ИН3водой из смеси его с воздухом.Проведенные исследования показали,что эффективность массообмена приэкстракции возросла на 60-707 (по отношению к прототипу), в случае адсорб.ции - на 50-607 (по сравнению с данны.ми, опубликованными в периодическойпечати для случая скруббера, трубы Вентури и тарельчатой колонны).Исследования проводились приобъемном соотношении рабочего потокак инжектируемому 9/О= 3/1 - 1/3 ичисле оборотов ротора М = 1500 об/минВесьма удовлетворительные результаты можно ожидать при применении центробежного прямоточного аппарата в качестве:а) реактора, абсорбера, десорбера, экстрактора, для многих гетерогенных систем. Наибольший эффект от использования аппарата, очевидно, будет иметь место в случае определя" ющего влияния сопротивления внешней диффузии в инжектируемом потокефб) в качестве теплообменника для нагрева и охлаждения фаз, утилизации тепла отходящих (топочных) газов,в) для целей очистки и переработки газовых смесей, осаждения аэрозолей, для улавливания из газов ценных компонентов, мокрой очистки газов от пыли, для очистки микротуманов, очистки отходящих газов;г) смесителей для гомогенизации продуктов, полупродуктов и рецептур на их основе (например, для приготов ления топливных смесей из масел ибензина)е) реакторов для биологическихпревращений (например, в производстве антибиотиков).Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о преимуществе предлагаемой модели аппаратапо отношению к прототипу.1 О Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известными эк"стракторами с насадкой в виде перфорированных цилиндров, применяемымив промышленности (база сравнения), 15 и скрубберами типа трубы Вентури, итарельчатыми колоннами, применяемымив промышленности (база сравнения),позволит интенсифицировать процессы,увеличить производительность и улуч шить качество продукта, расширитьдиапазон устойчивой работы и возможность использования в различных химико-технологических процессах.осудламМоск Тираж твенно бретенЖ,82 Под комитета СС и открытий аушская наб,