пульсационный аппарат для обработки жидкостями твердых частиц и способ его эксплуатации

Формула изобретения

1. Пульсационный аппарат для обработки жидкостями твердых частиц, содержащий один или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части и снабженных в нижней части проницаемыми для жидкости перегородками, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, отличающийся тем, что корпусы в верхней части соединены с атмосферой или оборудованием для очистки газа от капель и конденсации пара, и к ним в нижней части подключена пульсационная труба, верхний конец которой соединен с побудителем колебаний давления.

2. Способ эксплуатации пульсационного аппарата для обработки жидкостями твердых частиц путем импульсной периодической подачи в корпусы аппарата жидкости, отличающийся тем, что жидкость подают под проницаемое днище из пульсационной трубы, причем средняя скорость движения жидкости в пульсационной трубе при подаче жидкости в корпусы должна находиться в диапазоне, определяемом двойным неравенством



где n - количество корпусов;

S_a - площадь поперечного сечения корпуса, м²;

S_T - площадь поперечного сечения пульсационной трубы, м²;

W_ПС - скорость начала псевдоожижения слоя частиц в корпусе, м/с;

W_T - средняя скорость движения жидкости в пульсационной трубе при подаче жидкости в корпусы, м/с;

Н - расстояние от уровня жидкости в корпусе до верхней части корпуса, м;

Т_и - продолжительность импульса при подаче жидкости в корпусы, с.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение предназначено для проведения процессов обработки жидкостями твердых частиц, в том числе капиллярно-пористых, например пропитки, экстрагирования, выщелачивания, промывки зернистых материалов, проведения ионообменных процессов, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, лесохимической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности.

Известен экстрактор для древесной зелени, содержащий емкость с крышкой, служащей конденсатором паров, внутри емкости установлены решетчатое ложное днище и подогреватель, а также заглушенная сверху камера, нижний открытый участок которой расположен под ложным днищем, при этом экстрактор снабжен генератором пневматических импульсов, который сообщен с трубопроводом с внутренней полостью указанной камеры для создания резонансного режима колебаний в обрабатываемой среде. В аппарате возможно достижение взвешивания твердых частиц, приводящее к ускорению процессов массопереноса (RU 2049808 С1, 10.12.1995).

К недостаткам аппарата следует отнести, во-первых, низкую степень использования объема аппарата вследствие размещения в основном его объеме заглушенной сверху камеры. Во-вторых, резонансный режим для частиц с эквивалентным диаметром менее 1 мм и при вязкости жидкости, близкой к вязкости воды или выше, на практике не сопровождается увеличением амплитуды колебаний, и энергия сжатого газа в основном затрачивается на преодоление фильтрационного сопротивления жидкости, что резко снижает эффективность известного аппарата и ставит его в один ряд с традиционными аппаратами с неподвижным слоем. В-третьих, собственная частота колебаний упруго-инерционной колебательной системы обычно много выше частоты, оптимальной с точки зрения пропитки капилляров, или процесса массообмена из капиллярно-пористых частиц либо промывки зерен катализатора. Кроме того, при равенстве длительностей положительной и отрицательной фаз давления жидкость не успевает профильтроваться обратно через слой частиц, вследствие чего через несколько циклов колебаний происходит ее "выдавливание" из пульсационной камеры в кольцевое пространство, приводящее к нарушению начальных упругих свойств системы и ее собственной частоты колебаний. Все это резко снижает степень использования объема аппарата и ухудшает качество получаемых продуктов (снижается степень пропитки, уменьшается концентрация экстракта, ухудшается степень отмывки загрязненных частиц и т.п.).

Наиболее близким к заявленному изобретению является пульсационный аппарат для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц суспензий, содержащий один или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части, и снабженных в нижней части проницаемыми для жидкости перегородками, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, при этом для обработки жидкостями твердых частиц осуществляют импульсную периодическую подачу в корпусы аппарата жидкости (RU 2077362 С1, 20.04.1997).

Недостатками данного аппарата являются низкая степень пропитки, малая концентрация экстракта и низкая степень отмывки загрязненных частиц.

Технический результат заключается в повышении степени использования объема аппарата, его надежности и эффективности, улучшении качества продукта.

Указанный технический результат достигается тем, что в пульсационном аппарате для обработки жидкостями твердых частиц, содержащем один или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части и снабженных в нижней части проницаемыми для жидкости перегородками, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, корпусы в верхней части соединены с атмосферой или оборудованием для очистки газа от капель и конденсации пара, а к ним в нижней части подключена пульсационная труба, верхний конец которой соединен с побудителем колебаний давления.

Указанный технический результат достигается также тем, что способ эксплуатации пульсационного аппарата для обработки жидкостями твердых частиц заключается в импульсной периодической подаче в корпусы аппарата жидкости, причем жидкость подают под проницаемое днище из пульсационной трубы, при этом средняя скорость движения жидкости в пульсационной трубе при подаче жидкости в корпусы должна находиться в диапазоне, определяемом двойным неравенством



где n - количество корпусов;

S_a - площадь поперечного сечения корпуса, м²;

S_T - площадь поперечного сечения пульсационной трубы, м²;

W_ПС - скорость начала псевдоожижения слоя частиц в корпусе, м/с;

W_T - средняя скорость движения жидкости в пульсационной трубе при подаче жидкости в корпусы, м/с;

Н - расстояние от уровня жидкости в корпусе до верхней части корпуса, м;

Т_и - продолжительность импульса при подаче жидкости в корпусы, с.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен первый вариант реализации аппарата, содержащего один корпус; на фиг.2 - второй вариант реализации аппарата, содержащего два корпуса.

Корпусы 1 в нижней части соединены друг с другом посредством трубы 2, к которой подключена пульсационная труба 3, соединенная в верхней своей части с побудителем колебаний давления 4, в качестве которого может служить цилиндр с поршнем, совершающим возвратно-поступательные движения, либо пневмоклапан, управляемый генератором импульсов. Корпусы 1 в нижней части снабжены также проницаемыми для жидкости перегородками 5, а в верхней части корпусов имеется патрубок 6 ("воздушник") для стравливания газа в атмосферу либо для подачи его в оборудование для очистки газа от капель и конденсации пара. На проницаемых перегородках 5 уложен слой 7 обрабатываемых твердых частиц. Корпусы могут быть снабжены рубашкой, змеевиками для нагрева рабочей среды. Люки для загрузки и выгрузки твердого материала могут быть установлены в верхней и боковой частях корпуса соответственно и на схемах условно не показаны.

Аппараты работают следующим образом. После загрузки в корпусы 1 исходных компонентов - твердых частиц и жидкости - включают побудитель колебаний 4. В фазе импульса в пульсационную трубу 3 из побудителя подается сжатый газ (например, воздух). Под действием давления газа жидкость из пульсационной трубы 3 вытесняется в трубы 2, а оттуда - в пространство под проницаемыми перегородками 5. Под действием возникающего на слое 7 твердых частиц перепада давлений, т.е. при скорости в пульсационной трубе 3, определяемой левой частью неравенства (1), происходит их пульсационное псевдоожижение. При этом слой 7 твердых частиц разрыхляется, межчастичные связи разрушаются, объемная доля порового (межзернового) пространства увеличивается. Происходит мощный прорыв жидкости из пространства под проницаемыми перегородками 5 сквозь слой 7 твердых частиц, приводящий к выравниванию полей температур, концентраций, а также к частичному перемешиванию самого слоя 7, выражающемуся в переупаковке частиц. Газ из верхней части корпусов 1 вытесняется через патрубок 6 в атмосферу или в газоочистное, сепарационное и конденсационное оборудование. При выполнении правой части неравенства (1) скорость жидкости в аппарате не превышает предельного значения, при превышении которого происходит вытеснение жидкости из аппарата и ее выплескивание наружу. За фазой импульса следует фаза сброса давления. При этом давление над жидкостью в трубе падает до атмосферного (или в ней создается разрежение), под действием возникающего перепада давления происходит быстрое осаждение слоя частиц с последующей фильтрацией жидкости сквозь слой 7 твердых частиц. Жидкость медленно перетекает из корпусов 1 через слой 7 твердых частиц и трубы 2 в пульсационную трубу 3. Далее процесс пульсаций повторяется.

Соединение корпусов 1 в верхней части с атмосферой устраняет опасность возрастания давления в аппарате, что особенно важно для крупногабаритных аппаратов, а также для аппаратов, в которых происходит обработка взрыво- и пожароопасных или токсичных веществ. Кроме того, металл аппарата не подвергается циклическому нагружению внутренним давлением, что приводит к значительному увеличению срока его службы, а значит, и к повышению надежности. Благодаря выносу пульсационной трубы 3 за пределы корпусов 1 увеличивается степень использования объема аппарата; кроме того, облегчается контроль над техническим состоянием пульсационной трубы 3, что также ведет к повышению надежности аппарата. Наличие в корпусах проницаемых для жидкости перегородок препятствует проникновению частиц в узкие каналы - в трубы 2 и пульсационную трубу 3. Эффективность работы аппарата и улучшение качества продукта обеспечиваются достаточно хорошим перемешиванием частиц в аппарате, равномерным подводом жидкости ко всем частицам, выравниванием температурных и концентрационных полей при пульсационном прорыве жидкости сквозь слой твердых частиц. При выполнении левой части неравенства (1) гарантируется возникновение эффекта пульсационного псевдоожижения, при выполнении правой части неравенства (1) исключаются вытеснение жидкости из аппарата и ее выплескивание наружу, что гарантирует надежную работу аппарата.

Пример конкретного выполнения. Предлагаемые аппарат и способ его эксплуатации были проверены в промышленных условиях на аппарате объемом 10 м³, схема которого соответствует схеме согласно фиг. 1, причем побудитель колебаний давления 4 представлял собой пневмоклапан, подключенный к линии сжатого воздуха и управляемый генератором импульсов. В качестве твердых частиц использовались частицы влажной (после отдувки водяным парой) молотой хвои с плотностью около 1100 кг/м³ и средним эквивалентным размером 0,4 мм. В аппарат было залито 5 м³ воды, после чего загружено 2 м³ частиц. В верхней части слой частиц образовал горку конической формы, возвышающуюся над уровнем воды на 0,8 м. При включении пульсаций с параметрами, определяемыми по выражению (1), происходил прорыв струи воды через слой частиц, наблюдаемый через люк в верхней части аппарата. Площадь поперечного сечения струи достигала 40-50% от поперечного сечения корпуса аппарата. Через 10 минут после включения пульсаций горка расползлась, а ее вершина практически сравнялась с уровнем воды. При прорыве струи воды происходило видимое невооруженным глазом разрыхление слоя частиц, сопровождавшееся характерным "хлюпаньем" прорывающихся через межзерновые каналы струек воды. Проведенные на этом же аппарате эксперименты по экстрагированию на реальном сырье показали, что за счет использования предлагаемого изобретения увеличивается выход извлекаемых целевых компонентов на 20-25%.