пульсационный аппарат для обработки жидкостями твердых частиц и способ его эксплуатации

Формула изобретения

1. Пульсационный аппарат для обработки жидкостями твердых частиц, содержащий корпус с днищем, закрытый сверху крышкой, и помещенный в него контейнер для частиц, днище которого проницаемо, а также побудитель колебаний давления и технологические патрубки, отличающийся тем, что верхняя часть боковой стенки контейнера непроницаема, а нижняя часть проницаема, побудитель колебаний давления подключен к верхней части кольцевой полости, образованной боковой стенкой контейнера и корпусом аппарата, причем форма контейнера повторяет с зазором форму внутренней поверхности корпуса с днищем, а крышка аппарата соединена с кольцевой полостью посредством одного или нескольких переточных каналов.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что зазор выполнен постоянным по всей высоте контейнера.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что зазор выполнен постоянным по всей высоте верхней непроницаемой части контейнера и равным ₀, а в нижней части изменяется по закону



где ₀ - зазор между корпусом и контейнером в его верхней части, м;

_k - зазор между корпусом и контейнером в самой нижней точке его боковой стенки и между днищами контейнера и аппарата, м;

h - высота нижней проницаемой части боковой стенки контейнера, м;

s - координата, отсчитываемая вертикально вниз от стыка верхней и нижней частей боковой стенки контейнера, м.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что переточные каналы снабжены регулирующими клапанами.

5. Способ эксплуатации пульсационного аппарата для обработки жидкостями твердых частиц, заключающийся в подводе периодически изменяющегося давления газа от побудителя колебаний к аппарату, отличающийся тем, что гидравлическое сопротивление переточных каналов, посредством которых соединена крышка аппарата с кольцевой полостью, образованной боковой стенкой контейнера и корпусом аппарата, устанавливают таким, чтобы продолжительность процесса выравнивания уровней жидкости в пространстве над частицами и в кольцевой полости составляла 80-95% от продолжительности стадии сброса давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение может быть использовано для проведения процессов обработки жидкостями твердых частиц, в том числе капиллярно-пористых, таких как промывка, пропитка, растворение (в том числе с химической реакцией), перемешивание, экстрагирование, выщелачивание, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, лесохимической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности.

Известен пульсационный аппарат для обработки жидкостями твердых частиц (МПК 6 С 11 В 1/10, пат. РФ 2049808), содержащий емкость с крышкой, внутри емкости установлены решетчатое ложное днище и подогреватель, в полости емкости размещена заглушенная сверху камера, нижний открытый участок которой расположен под ложным днищем, аппарат снабжен побудителем колебаний давления, который сообщен трубопроводом с внутренней полостью указанной камеры. В известном аппарате ложное днище совместно с заглушенной сверху камерой и боковой проницаемой стенкой образуют контейнер для частиц, который может выниматься вместе с ними. В заглушенной сверху камере, а также под ложным днищем и в кольцевой полости между боковой проницаемой стенкой контейнера и обечайкой аппарата при заполнении аппарата жидкостью будет находиться объем жидкости (до 30-40% от общего объема жидкости в аппарате), пассивно участвующий в обработке частиц, т.к. лишь в стадии нагнетания газа пневматическим побудителем импульсов часть этой жидкости будет омывать частицы, прохода сквозь ложное днище и боковые проницаемые стенки.

В результате этого при эксплуатации известного аппарата приходится заливать в него большее количество жидкости, чем это требуется с точки зрения стехиометрии (при растворении с химической реакцией), т.е. увеличивается расход реактивов; при обработке пропиточными или промывочными растворами увеличивается объем сточных вод (в ряде процессов сточные воды содержат токсины и представляют особую опасность с экологической точки зрения); при экстрагировании снижается концентрация вещества в получаемом экстракте за счет чрезмерного его разбавления. Таким образом, указанный объем жидкости является "паразитным", в большинстве химико-технологических процессов его необходимо сокращать. В известном аппарате такое сокращение не представляется возможным.

Кроме того, в известном аппарате при чрезмерном увеличении продолжительности стадии подачи газа от побудителя колебаний давления возможен прорыв газа через жидкость в камере, ложное днище и слой частиц в газовую полость над слоем частиц. В результате этого жидкость может постепенно выдавливаться из контейнера в камеру, попадая затем в трубопровод побудителя колебаний давления и удаляясь из аппарата. Это может привести к нарушению нормальной работы аппарата и выходу из строя побудителя колебаний давления. Таким образом, известный аппарат обладает недостаточной надежностью.

Известен пульсационный аппарат для обработки жидкостями твердых частиц (МПК 6 B 01 D 11/02, 12/00, пат. РФ 2077362), содержащий один или более одинаковых корпусов, побудитель колебаний давления, причем в каждом корпусе симметрично размещены содержащие обрабатываемую суспензию одинаковые камеры с проницаемыми для жидкости днищами, которые представляют собой контейнеры, вынимаемые из аппарата вместе со слоем частиц, причем в верхней части камеры заглушены и по меньшей мере одна из них соединена с побудителем колебаний давления.

В известном аппарате паразитный объем жидкости находится в трубах, соединяющих корпусы, а также в эллиптических днищах под плоским днищем контейнеров, причем доля паразитного объема может достигать 10-15% и более (например, для стандартного перколятора объемом 500 л и диаметром 800 мм объем жидкости только в отбортованном эллиптическом днище равен 79,6 л, т.е. 15,92%).

При обработке твердых частиц в таком аппарате, особенно склонных к разбуханию, сильно сжимающихся, или полидисперсных частиц, на стадии увеличения давления над слоем в контейнере, соединенным с побудителем колебаний давления, возможно необратимое уплотнение слоя частиц, обусловленное их сжатием, набуханием, переупаковкой частиц в слое, а также эффектом расклинивания, вызванным внутренним трением в слое частиц и внешним трением частиц о стенки контейнера. В результате в контейнере образуется трудно проницаемая для жидкости "пробка" из слоя частиц, амплитуда колебаний жидкости через слой частиц резко падает (практически до нуля), и в остальные контейнеры пульсации давления не передаются. Это приводит к катастрофическому уменьшению эффективности аппарата, поскольку процессы пропитки, промывки, растворения, экстрагирования и т.п. переходят в молекулярно-диффузионную область, а конвективный перенос вещества в таком режиме работы отсутствует. Такой режим работы аппарата можно считать функциональным отказом, т.к. для восстановления работоспособности аппарата требуется проведение дополнительных мероприятий вплоть до разборки аппарата и механического разрушения "пробки", например, вручную. Это свидетельствует о недостаточно высокой надежности аппарата, особенно при обработке склонных к разбуханию, сильно сжимающихся, или полидисперсных частиц.

Известен способ эксплуатации пульсационного аппарата для обработки твердых частиц (МПК 6 B 01 D 11/02, 12/00, пат. РФ 2077362), заключающийся в создании в корпусе аппарата асимметричных гармонических колебаний давления, частоту которых устанавливают равной или близкой частоте собственных колебаний суспензии в аппарате. Известный способ весьма эффективен при обработке суспензий с концентрацией частиц до 4045% либо при обработке суспензий с частицами размером не менее 1 мм (при плотности и вязкости жидкости, близких к свойствам воды), когда диссипация в системе мала, т.к. позволяет реализовать преимущества резонансного режима колебаний.

При обработке более концентрированных суспензий, а также частиц с размером менее 1 мм, либо склонных к разбуханию, сильно сжимающихся, или полидисперсных частиц, гидравлическое сопротивление слоя частиц в аппарате резко возрастает, и в результате доминирования сил вязкого трения резонанс не приводит к видимому усилению амплитуды колебаний, т.е. резонансные эффекты не проявляются.

Кроме того, находящаяся в аппарате суспензия ведет себя как нелинейная система: при движении жидкости сквозь слой частиц снизу вверх, обусловленным давлением газа, поступающего из побудителя колебаний, сопротивление псевдоожиженного слоя мало, и жидкость легко проникает из пространства под проницаемым днищем контейнера в пространство над частицами, сжимая находящийся там газ; при сбросе давления в побудителе давления частицы быстро оседают на проницаемое днище контейнера, формируя плотный слой, и жидкость под действием гидростатического давления и давления сжатого ею на стадии нагнетания газа медленно фильтруется сквозь осевший слой частиц сверху вниз. Вследствие высокого гидравлического сопротивления осевшего слоя жидкость не успевает стекать обратно, накапливаясь в процессе колебаний в пространстве над частицами, вплоть до полного перетекания из пространства вне контейнера в контейнер. В результате этого изменяются упругие свойства колебательной системы "колеблющаяся суспензия - газонаполненные упругие элементы", собственная частота системы изменяется, происходит расстройка резонансных колебаний. Вследствие значительного снижения амплитуды колебаний уменьшается роль конвективного переноса в обменных процессах, и процесс переходит в молекулярно-диффузионную область, характеризующуюся малой интенсивностью переноса вещества.

Под действием высокого давления сжатого газа слой сжимаемых частиц может дополнительно уплотняться; порозность слоя при этом уменьшается, а гидравлическое сопротивление возрастает. Помимо этого, по мере набухания (либо переупаковки) частиц сопротивление слоя дополнительно возрастает и вышеописанные явления усугубляются.

Колебательная система "колеблющаяся суспензия - газонаполненные упругие элементы" в известных пульсационных аппаратах обладает нелинейной несимметричной зависимостью упругой силы от перемещения фронта жидкости, особенно при колебаниях с большой амплитудой, например резонансных (Абиев Р.Ш. Резонансная аппаратура для процессов в жидкофазных средах: Автореф. дисс.... д-ра техн. наук/ СПбГТИ. - СПб, 2000, с. 22). Кроме того, часть газа при повышении давления в жидкости может растворяться в ней. В результате этого в процессе нелинейных колебаний средний уровень жидкости в пространстве над частицами в контейнере повышается (Хаяси Т. Вынужденные колебания в нелинейных системах. - М.: Иностр. лит-ра, 1957. - С. 43; Абиев Р.Ш. Определение рациональной геометрии упругих элементов в U-образном аппарате с жидкостью // Журн. хим. и нефтегаз. машиностр., 1998, 1, с. 8-13), и среднее за период давление в газовой полости становится ниже исходного, т.е., например, при исходном атмосферном давлении там возникает разрежение. В результате этого уровень жидкости в пространстве над частицами в контейнере занимает новое, более высокое положение, и не опускается даже после отключения пульсаций. Это явление приводит к тому, что при использовании известного способа выравнивания уровней жидкости в аппарате не происходит даже при весьма продолжительной стадии сброса давления (сутки и более). Переместившаяся в объем контейнера жидкость нарушает динамику аппарата, амплитуда ее колебаний существенно снижается и эффективность процессов обмена в аппарате существенно падает.

Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение паразитного объема жидкости, повышение объемной концентрации частиц по отношению к общему объему среды в аппарате, увеличение эффективности и надежности аппарата.

Нужный результат достигается тем, что в пульсационном аппарате для обработки жидкостями твердых частиц, содержащем корпус с днищем, закрытый сверху крышкой, и помещенный в него контейнер для частиц, днище которого проницаемо, а также побудитель колебаний давления и технологические патрубки, верхняя часть боковой стенки контейнера непроницаема, а нижняя часть проницаема, побудитель колебаний давления подключен к верхней части кольцевой полости, образованной боковой стенкой контейнера и корпусом аппарата, причем форма контейнера повторяет с зазором форму внутренней поверхности корпуса с днищем, а крышка аппарата соединена с кольцевой полостью посредством одного или нескольких переточных каналов, причем зазор выполнен постоянным по всей высоте контейнера либо зазор выполнен постоянным по всей высоте верхней непроницаемой части контейнера и равным ₀, а в нижней части изменяется по закону



где ₀ - зазор между корпусом и контейнером в его верхней части, м;

_k - зазор между корпусом и контейнером в самой нижней точке его боковой стенки и между днищами контейнера и аппарата, м;

h - высота нижней проницаемой части боковой стенки контейнера, м;

s - координата, отсчитываемая вертикально вниз от стыка верхней и нижней частей боковой стенки контейнера, м,

а переточные каналы снабжены регулирующими клапанами.

Нужный результат достигается также тем, что способ эксплуатации пульсационного аппарата для обработки жидкостями твердых частиц заключается в подводе периодически изменяющегося давления газа от побудителя колебаний к аппарату, причем гидравлическое сопротивление переточных каналов, посредством которых соединена крышка аппарата с кольцевой полостью, образованной боковой стенкой контейнера и корпусом аппарата, устанавливают таким, чтобы продолжительность процесса выравнивания уровней жидкости в пространстве над частицами и в кольцевой полости составляла 80-95% от продолжительности стадии сброса давления.

На фиг. 1-4 показаны варианты реализации предлагаемого устройства: на фиг.1,4 - с переточным каналом 13 при постоянном зазоре ; на фиг.2 - с переточными каналами 13, снабженными регулирующими клапанами 14, при постоянном зазоре ; на фиг.3 - с переточным каналом 13, снабженном регулирующим клапаном 14, при переменном зазоре . Во всех вариантах аппарат состоит из корпуса 1 с днищем, в который помещен контейнер 2, снабженный кольцом 3 с центрующим выступом 4, причем верхняя часть 5 боковой стенки контейнера непроницаемая, а нижняя часть 6 и днище 7 - проницаемые для жидкости и непроницаемые для частиц. Для герметизации аппарата служит крышка 8 и две прокладки 9. Пульсации от побудителя колебаний давления (на схемах условно не показан) подводятся через патрубок 10, соединенный с верхней частью кольцевой полости 11, образованной боковой стенкой 5, 6 контейнера 2 и корпусом 1 аппарата. Клапан 12 служит для слива продукта (либо отработанной жидкости - при промывке частиц). Помимо этого, аппарат может быть оборудован другими технологическими патрубками (для загрузки сырья, подключения манометра и т.д.). Крышка аппарата 8 соединена с кольцевой полостью 11 посредством одного или нескольких переточных каналов 13, которые могут быть снабжены регулирующими клапанами 14 (фиг.2 и 3), позволяющими регулировать гидравлическое сопротивление перетока. Зазор может быть выполнен постоянным по всей высоте контейнера (фиг.1 и 2), либо постоянным по всей высоте верхней части 5 контейнера 2 и равным ₀, а в нижней части 6 (фиг.3) изменяющимся по закону



где ₀ - зазор между корпусом и контейнером в его верхней части, м;

_k - зазор между корпусом и контейнером в самой нижней точке его боковой стенки и между днищами контейнера и аппарата, м;

h - высота нижней проницаемой части боковой стенки контейнера, м;

s - координата, отсчитываемая вертикально вниз от стыка верхней и нижней частей боковой стенки контейнера, м.

На фиг.1-3 показаны цилиндрические аппараты с эллиптической формой днища корпуса 1 и соответственно эллиптической формой днища 7 контейнера 2. В аппаратах, например с плоским днищем, днище контейнера также должно быть преимущественно плоским.

Переточные каналы 13, соединяющие объем под крышкой 8 аппарата с кольцевой полостью 11, могут быть выполнены в виде наружных элементов (трубок, шлангов и т. п. ), а также в виде внутренних (отверстия, сопла, диафрагмы, насадки и т.п.). В последнем случае установка на них регулирующих клапанов 14 и управление ими затруднены, т.е. переточные каналы выполняются с определенными размерами (длиной и диаметром), обеспечивающими необходимое гидравлическое сопротивление перетоку газа, такое, чтобы продолжительность процесса выравнивания уровней жидкости в пространстве над частицами (т.е. под крышкой 8) и в кольцевой полости 11 составляла 80-95% от продолжительности стадии сброса давления.

В аппаратах большого диаметра для улучшения равномерности может быть выполнено несколько патрубков 10, распределенных по периметру поперечного сечения корпуса 1 (фиг.2), и колебания от побудителя колебаний давления подводятся к ним синфазно. Соответственно наружные переточные каналы 13 с регулирующими клапанами 14 могут быть подключены непосредственно к одному или к нескольким патрубкам 10 (фиг.2), соединенным с кольцевой полостью 11 и имеющим весьма малое гидравлическое сопротивление.

Отношение высоты Н контейнера 2 к его диаметру D должно находиться преимущественно в диапазоне 1<H/D<3, а отношение высоты h₀ непроницаемой части 5 боковой стенки контейнера 2 к его общей высоте Н - преимущественно в диапазоне h₀/H=0,50,8.

Зазоры ₀ и _k определяются конкретными свойствами обрабатываемых сред: размерами частиц, плотностью и вязкостью жидкости, а также частотой колебаний давления, генерируемых побудителем. Постоянная небольшая величина зазора упрощает изготовление контейнера и позволяет существенно сократить паразитный объем жидкости, находящейся в кольцевой полости и в пространстве между днищами корпуса 1 и контейнера 2. Выполнение зазора переменным по высоте позволяет дополнительно уменьшить паразитный объем жидкости в аппарате, а значит повысить объемную концентрацию частиц по отношению к общему объему среды в аппарате, а также более рационально распределить жидкость по высоте проницаемой части 6 контейнера с учетом путевого расхода жидкости.

Продолжительность процесса выравнивания уровней жидкости в пространстве над частицами и в кольцевой полости по предлагаемому изобретению должна составлять 8095% от продолжительности стадии сброса давления, что позволяет с некоторым запасом (5-20%) гарантировать, что в течение стадии сброса давления уровни жидкости в пространстве над частицами, т.е. под крышкой 8 и в кольцевой полости 11 успеют выровняться без ощутимого снижения кпд аппарата. Если принять большие значения (более 95%), то при флуктуациях рабочих параметров (давления газа, свойств жидкости и частиц) выравнивание уровней может не завершиться на стадии сброса давления, и в аппарате возникнет перепад уровней жидкости, приводящий к неблагоприятным последствиям. Если же это соотношение будет менее 80%, что соответствует чрезмерно малому гидравлическому сопротивлению переточных каналов 13 с регулирующими клапанами 14, то это повлечет за собой существенное снижение кпд аппарата, т.к. в этом случае газ под крышкой будет сжиматься в значительной мере не жидкостью, проникающей сквозь частицы, а непосредственно побудителем колебаний через патрубок 10 и переточные каналы 13 с регулирующими клапанами 14.

Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг.4). Контейнер 2, заполненный частицами 15 обрабатываемого сырья, устанавливают в корпус 1 пульсационного аппарата, после чего аппарат герметизируют, т.е. закрывают крышку 8 и клапан 12, и заливают в аппарат жидкость (экстрагент, промывочную жидкость и т.д. в зависимости от назначения аппарата). Включают побудитель колебаний давления, от которого через патрубок 10 подается сжатый газ (например, воздух). Газ, попадая в кольцевую полость 11, начинает вытеснять жидкость из нее в межзерновое пространство, проникая сквозь слой частиц. Уровень жидкости в контейнере поднимается, газ под крышкой 8 сжимается. Небольшая часть газа проникает в пространство под крышкой через переточные каналы 13 и регулирующие клапаны 14, т.к. давление в патрубке 10 выше, чем давление под крышкой 8. Как только давление, создаваемое побудителем колебаний давления, уравновесится суммой давлений сжатого газа, гидростатического столба жидкости и потерей давления в слое частиц, процесс сжатия газа прекратится, и побудитель колебаний давления переключится со стадии нагнетания газа на стадию сброса газа, т.е. патрубок 10 будет соединен, например, с атмосферой или вакуумным ресивером. На стадии сброса давления газ из-под крышки 8 будет быстро стравливаться через переточные каналы 13 и регулирующие клапаны 14 в кольцевую полость 11 и в патрубок 10, а далее - в атмосферу или вакуумный ресивер. Одновременно под действием быстро уменьшающегося перепада давлений жидкость будет перетекать обратно из пространства над слоем частиц в кольцевую полость 11. Благодаря действию почти только гидростатического столба жидкости предотвращается образование "пробки" из слоя частиц и его расклинивание. Далее процесс колебаний повторяется.

Если на стадии нагнетания в результате флуктуации давления произойдет чрезмерное передавливание жидкости газом с последующим проскоком газа в пространство над частицами, то на стадии сброса давления избыточный газ вытеснится через переточные каналы 13 и регулирующие клапаны 14 в патрубок 10, а далее - в атмосферу или вакуумный ресивер. Это способствует повышению надежности работы аппарата.

Любые изменения среднего давления газа под крышкой (повышение или понижение) в предлагаемом устройстве будут выравниваться на стадии сброса давления через систему переточных каналов 13 с регулируемыми клапанами 14. Количество и размеры переточных каналов 13 определяют гидравлическое сопротивление перетоку сжатого газа из-под крышки 8 в кольцевую полость 11, а оттуда - в побудитель колебаний давления и в атмосферу (или вакуумный ресивер). Аналогично, если под крышкой образуется вакуум, переточные каналы 13 способствуют проникновению воздуха под крышку из атмосферы через побудитель колебаний, патрубок 10 и кольцевую полость 11. Это позволяет предотвратить процесс расклинивания слоя частиц и образования в нем "пробки", т.е. приводит к увеличению надежности работы аппарата. Отсутствие пробок в слое частиц обуславливает малое гидравлическое сопротивление слоя частиц движению сквозь него жидкости, а следовательно, и достаточно высокие амплитуды колебаний жидкости. При больших амплитудах колебаний жидкости улучшается межфазный обмен, т.к. начинает доминировать конвективный перенос вещества, улучшается перемешивание жидкости и слоя частиц. Эффективность процессов переноса, а значит и аппарата в целом, увеличивается.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет добиться вышеуказанного технического результата.