многоступенчатый секционированный аппарат колонного типа для осуществления массообменных процессов в системе жидкость - твердое тело

Формула изобретения

МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ АППАРАТ КОЛОННОГО ТИПА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ ЖИДКОСТЬ ТВЕРДОЕ ТЕЛО, включающий вертикальный корпус с горизонтальными секционирующими перегородками, отличающийся тем, что секционирующие перегородки собраны в пакеты, причем площадь проходного сечения секционирующих перегородок в каждом пакете уменьшается сверху вниз, а пакеты установлены последовательно по высоте корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям секционированных колонных аппаратов для осуществления массообменных процессов в системе жидкость-твердое тело и может быть использовано в химической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности.

Известны различные конструкции колонных аппаратов, использующих те или иные типы (варианты) секционирования потоков взаимодействующих фаз. Так возможно снабжение колонн секционирующими перегородками с постоянной площадью проходного сечения по всей высоте аппарата [1] разделение колонны на секции вертикальной перегородкой со смещением тарелок одной секции относительно тарелок другой [2] изготовление контактных тарелок с числом отверстий в периферийной зоне больше, чем в центральной части [3]

Эффективность массообмена в подобных секционированных колонных аппаратах довольно высока, однако известные конструкции не позволяют достаточно полно использовать принцип (прогрессивный метод) секционирования вертикальных потоков для создания благоприятной гидродинамической обстановки, развития межфазной поверхности контакта фаз и, в конечном счете, дополнительно увеличивать эффективность физико-химического (массообменного) процесса.

В предлагаемом колонном аппарате, включающем корпус с горизонтальными секционирующими перегородками, последние собраны в пакеты, причем площадь проходного сечения секционирующих перегородок в каждом пакете уменьшается сверху вниз, а пакеты установлены последовательно по высоте корпуса.

На фиг. 1 представлен многоступенчатый секционированный аппарат колонного типа; на фиг. 2 схематичное изображение смежных пакетов секционирующих перегородок.

Аппарат колонного типа состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, внутри которого установлены секционирующие перегородки 2 (например, 2a, 2b, 2c и 2d) с различной площадью проходного сечения (₁, ₂, _n), собранные в пакеты 3, верхней конической камеры 4 с наружным переливным карманом и нижней конической камеры 5.

Многоступенчатый секционированный аппарат колонного типа работает следующим образом.

Обрабатываемый твердый материал в виде пульпы или суспензии подается в верхнюю коническую камеру 4 аппарата колонного типа, снизу противотоком поступает жидкий агент (вода, раствор органических или неорганических соединений). Выделенные твердые частицы под действием сил гравитации осаждаются в цилиндрическую часть корпуса 1 колонного аппарата, оснащенную секционирующими перегородками 2 с различной площадью проходного сечения, собранными в пакеты 3. После многократного контактирования взаимодействующих фаз твердые частицы накапливаются в нижней конической камере 5 и выводятся из процесса. Отработанный жидкий агент сливается из колонного аппарата через наружный переливной карман.

На фиг. 1 показан вариант выполнения тарелок с уменьшающейся площадью проходного сечения за счет уменьшения диаметра отверстий; на фиг. 2 то же, вследствие уменьшения числа отверстий одинакового диаметра. Количество секционирующих перегородок в пакете зависит от диаметра аппарата, его высоты и обусловлено требуемыми технологическими показателями при оптимальной площади проходного сечения первой по ходу движения осадка тарелки.

Как известно, создание благоприятной гидродинамиеской обстановки в аппарате и развитие межфазной поверхности контакта достигается разделением вертикального потока на отдельные секции контактными массообменными устройствами (тарелками) того или иного типа, значительно уменьшающими продольное перемешивание взаимодействующих фаз. Выше было отмечено, что секционирование потока осуществляется снабжением колонных аппаратов горизонтальными контактными устройствами, имеющими постоянную общую площадь проходного сечения (причем, площадь проходного сечения может быть неодинаковой на различных участках тарелки (патент Японии N 61-6682), конструкция которой предусматривает большее значение площади проходного сечения в периферийной зоне по сравнению с центральной (авт. св. СССР N 1529493, кл. B 01 D 3/22, 1989) тарелка выполнена из наклонных пластин различной высоты, поочередно увеличивающейся или уменьшающейся от центра к периферии аппарата).

Предлагаемое техническое решение позволяет создать как бы два последовательно чередующихся и постоянно накладывающихся друг на друга уровня секционирования: микро- и макросекционирование. Микросекционирование (снабжение аппарата тарелками) позволяет значительно снижать продольное перемешивание взаимодействующих фаз за счет интенсивного контакта их на поверхности тарелки и перераспределения потоков в межтарельчатом пространстве. Макросекционирование (снабжение аппарата пакетами тарелок) создает предпосылки для дополнительного увеличения эффективности массообмена в результате перераспределения потоков не только в межтарельчатом пространстве, но и во всем рабочем объеме по оси аппарата. Выполнение колонного аппарата таким образом, что площадь проходного сечения секционирующих перегородок в каждом пакете уменьшается сверху вниз (по ходу движения осадка) позволяет ступенчато изменять гидравлическое сопротивление потоков взаимодействующих фаз. Для потоков дисперсной (твердой) фазы гидравлическое сопротивление в каждом пакете последовательно увеличивается сверху вниз, для потока сплошной (жидкой) фазы гидравлическое сопротивление уменьшается снизу вверх. Вследствие этого и происходит дополнительное ступенчатое (пакетное) секционирование потока.

Вышеперечисленные особенности предлагаемого аппарата, направленные на использование конструктивных и компоновочных резервов для повышения коэффициента полезного действия колонны, а также их эффективность подтверждены экспериментальными исследованиями.

П р и м е р. В двух колонных аппаратах высотой 1,6 м и диаметром 50 мм оценивался коэффициентом продольного перемешивания дисперсной (твердой) фазы (кварцевый песок крупностью от 0,2 до 0,35 мм). Один аппарат снабжался секционирующими перегородками с площадью проходного сечения 20% (диски из оргстекла с наклонными отверстиями диаметром 3,5 мм; количество отверстий 41, угол наклона 30^о). Вторая колонна оснащалась пакетами из четырех тарелок, площадь проходного сечения которых составляла: ₁ 26% (52 отверстия 3,5 мм), ₂ 22% (45 отверстий), ₃ 18% (37 отверстий) и ₄ 14% (29 отверстий диаметром 3,5 мм). Секционирующие перегородки собирались в пакеты таким образом, что площадь их проходного сечения уменьшалась сверху вниз. Высота секционированной части колонны составляла 1,2 м, расстояние между тарелками 35 мм.

Методика экспериментов заключалась в следующем.

В верхнюю коническую камеру с определенным расходом подавался песок, снизу противотоком поступала вода. Столбу суспензии в аппарате через воздушный буфер (боковая пульсационная камера) сообщались возвратно-поступательные колебательные движения. Частота пульсаций 0,53 с^-1, амплитуда 17-22 мм. В качестве трассера использовали навеску пескового материала указанного выше размера с радиоактивным нуклидом (46Sc) на поверхности частиц. Пробы песка, отобранные в нижней части колонного аппарата, анализировались на полупроводниковом гамма-спектрометре, включающем многоканальный амплитудный анализатор АИ-1024 и детектор германий-литиевый типа ДГДК. Опытные данные обрабатывали на основе диффузионной модели. Параметр диффузионной модели критерий Пекле (Ре) для граничных условий находили из уравнения:

² + e^-Pe

Дисперсию ² и среднее время пребывания в аппарате рассчитывали по формуле:

²

где с текущая концентрация трассера в колонне в данный момент времени .

Средние результаты экспериментов представлены в таблице. * Коэффициент продольного перемешивания Е_п определяли по формуле:

E_п= , где L высота аппарата.

Как видно из результатов экспериментальных исследований (при одинаковой площади проходного сечения тарелок: в первой колонне 20% и во второй средняя площадь проходного сечения также 20%), коэффициент продольного перемешивания твердой фазы при проведении процесса в предлагаемом устройстве снижается на 8,9-12,7% по сравнению с колонным аппаратом, секционированным контактными тарелками одинакового проходного сечения (при удельной нагрузке по твердой фазе, отнесенной к поперечному сечению цилиндрического корпуса, 0,67 кг/м²с). Снижение нагрузки по твердой фазе на 25% приводит к уменьшению значения Е_п, характеризующего величину нежелательного эффекта продольного перемешивания, на 16,9-18,3%

Таким образом, предлагаемая конструкция многоступенчатого секционированного аппарата колонного типа позволяет увеличивать эффективность массобменных процессов за счет воздействия на структуру взаимодействующих потоков (дополнительное латентное секционирование), выражающееся в снижении продольного перемешивания фаз.