РЕЗОНАНСНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1995 года по МПК B01F11/00 

Изобретение относится к устройствам для проведения процессов в системах жидкость твердое и может быть использовано в химической, химико-фармацевтической, биотехнологической, нефтехимической и других промышленностях для перемешивания, растворения, выщелачивания и экстракции.

Известен резонансный аппарат [1] содержащий емкость с размещенным внутри упругим элементом в нижней части, выполняющим функции резонатора, и соединенным с ее верхней частью генератором колебаний.

Несмотря на высокую локальную турбулентность, наблюдаемую в таком аппарате при колебательных воздействиях на жидкость, имеет место слабое перемешивание жидкостной среды, поскольку возникающие в ней динамические напоры не используются для создания крупномасштабных пульсаций в объеме жидкости и, следовательно, для подъема твердой фазы, что в значительной степени ухудшает условия тепло- и массообмена.

Известен аппарат [2] содержащий емкость, внутри которой установлена центральная труба со смесительным устройством на штоке, соединенным с генератором колебаний. Направленное движение жидкости в центральной трубе создается смесительным устройством, выполненным в виде перфорированных дисков и действующим при их возвратно-поступательном движении подобно вибрационной мешалке.

Однако работа таких устройств вследствие отсутствия упругого элемента (резонатора) не может осуществляться в резонансном режиме, резко повышающем эффективность колебательных воздействий.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является резонансный аппарат [3] содержащий емкость с герметизированной в верхней части центральной трубой, установленной неподвижно с образованием зазора с днищем, и побудитель колебаний жидкости в виде коаксиальных труб.

Однако в таком аппарате повышение эффективности за счет организации резонансного режима колебаний достигается усложнением конструкции побудителя колебаний. Помимо этого передача колебательных воздействий жидкости через две трубы сопровождается значительными потерями давления на трение, что приводит к повышенным энергозатратам.

Цель изобретения упрощение конструкции и снижение энергозатрат с сохранением технических характеристик.

Для этого резонансный аппарат, содержащий емкость с центральной трубой, установленной неподвижно с образованием зазора с днищем, герметизированной в верхней части и снабженной соединенным с генератором колебаний побудителем колебаний, снабжен упругими элементами в центральной трубе и емкости и коническим рассекателем, установленным на днище емкости, при этом отношение величины зазора между торцем трубы и днищем емкости к диаметру трубы выбрано в интервале 0,3-0,65. Упрощение конструкции достигается использованием побудителя колебаний (мембраны или сильфона) для герметизации верхней части центральной трубы и служащего для нее крышкой. За счет исключения уплотнительного и смесительного устройств конструкция аппарата упрощается, облегчается его эксплуатация.

Снижение энергозатрат обеспечивается тем, что затраты мощности на сжатие газа в упругом элементе существенно ниже, чем при работе помещенного в жидкость смесительного устройства.

Помимо этого использование центральной трубы с диаметром в заданном интервале относительно величины ее зазора между днищем позволяет снизить гидравлические потери давления при движении жидкостной среды в пространственном (кольцевом) канале.

На фиг. 1 представлена зависимость коэффициента местного сопротивления ζ в пространственном (кольцевом) канале от его геометрии при всасывании для F_т/F_кк 1-1,0 и 2-0,5; и при нагнетании для F_т/F_кк: 3-1,0 и 4-0,5; на фиг. 2-4 представлены схемы резонансных аппаратов с упругими телами в виде газовой подушки, контактирующей с жидкостью непосредственно или через упругую перегородку, либо упругую газонаполненную оболочку или упругосжимаемое тело.

Минимальные значения коэффициента местного сопротивления ζ в таком канале при повороте на угол π при нагнетании и всасывании для наиболее часто используемых отношений толщины стенки трубы к ее диаметру δ/d_т 0,1 и радиуса закругления ее стенок r/d_т 0,05 соответствуют значениям отношений величины зазора h к диаметру центральной трубы d в интервале 0,3-0,65 и площадей сечения центральной трубы F_т и кольцевой камеры F_кк, примерно равном 0,5. Если отношение высоты зазора к диаметру центральной трубы преобразовать в отношение их площадей, то оно составит
0,83-0,38
Следовательно, с целью сведения потерь (на местные сопротивления при кольцевом повороте) динамического напора, создаваемого при колебательных воздействиях на жидкость, к минимуму и его целенаправленного использования для воздействий на твердые частицы необходимо принимать отношение величины зазора между центральной трубой и днищем к ее диаметру в интервале 0,3-0,65, а площади сечения кольцевой камеры и кольцевого зазора примерно одинаковыми.

За счет ведения процессов в резонансном режиме технические характеристики аппарата не снижаются. Это объясняется тем, что эффективность процессов определяется параметрами резонансных колебаний, зависящими от геометрии аппарата и упругих элементов, и не зависит от способа их возбуждения (колебаниями перфорированной тарелки на пружине в жидкости или давления в газовой подушке, возвратно-поступательными перемещениями объема жидкости или иным способом).

Резонансный аппарат содержит емкость 1 с центральной трубой 2, герметизированной в верхней части побудителем 3 колебаний (резиновой мембраной или сильфоном). Побудитель 3 колебаний последовательно подсоединен через шток 4 к генератору 5 колебаний (возможно в виде эксцентрикового привода с редуктором и электродвигателем). В верхней части центральной трубы и кольцевой камеры имеются упругие элементы 6 и 7: газовые полости, контактирующие с жидкостью непосредственно (фиг. 2) или через упругие перегородки 13 и 14 соответственно (фиг. 3), либо упругие газонаполненные оболочки или упругосжимаемые тела (фиг. 4) для процессов, исключающих контакт жидкости с газом. В емкости в случае необходимости может быть установлен теплообменник 8 для отвода (подвода) тепла. Емкость 1 имеет люк 9 для загрузки исходных продуктов и люк 10 для выгрузки готовых продуктов. На днище емкости 1 установлен конический рассекатель 11, обращенный вершиной к центральной трубе.

Емкость 1 установлена на неподвижных опорах 12. Упругие элементы 6 и 7 в виде газовых полостей (фиг. 2) или упругих газонаполненных оболочек (фиг. 3) могут быть подсоединены к регулятору давления (не показан).

Резонансный аппарат работает следующим образом.

После заполнения емкости 1 через люк 9 исходными продуктами с твердой фазой и включения генератора 5 колебаний возвратно-поступательные движения от него через шток 4 передаются побудителю 3 колебаний и далее содержащимся в верхней замкнутой герметичной полости центральной трубы 2 упругому элементу 6 либо содержащемуся в нем газу (фиг. 2, 3) и затем жидкости непосредственно (фиг. 2) или через упругую перегородку (фиг. 3), либо через жидкость (фиг. 4).

При частоте колебаний побудителя колебаний, близкой частоте собственных колебаний жидкостной системы с упругими элементами, наступает резонансный режим ее колебаний, фиксируемый по возникновению интенсивных колебательных движений жидкости в кольцевой камере. При этом имеют место мощные динамические воздействия на жидкость, обеспечивающие взвешивание твердых частиц и их подъем. В результате происходит перемешивание твердых частиц в жидкости и интенсивное их растворение или экстрагирование из них.

П р и м е р. В резонансном аппарате диаметром 0,26 м, высотой 0,43 м (общий объем 0,02 м³) с центральной трубой диаметром 0,125 м, установленной на расстоянии 0,07 м от днища с коническим рассекателем диаметром 0,15 м в основании при угле конусности 60^о и герметично закрытой вверху резиновой мембраной, при колебательных воздействиях через побудитель колебаний с частотой 5 Гц, амплитудой 0,01 м и вводимой мощностью 0,07 кВт при растворении ниобия в водном растворе плавиковой кислоты с добавлением перекиси водорода за полтора часа достигается максимальный выход пятиокиси ниобия, соответствующий 8,4 мас. и ниобия с концентрацией 240 г/л.

Использование: проведение процессов в системах жидкость-твердое в химической, химико-фармацевтической, биотехнологической, нефтехимической и других промышленностях. В основу изобретения положено решение задачи упрощения конструкции и снижения энергозатрат с сохранением технических характеристик. Сущность изобретения: в резонансном аппарате, содержащем емкость с коническим рассекаталем на днище, центральной трубой, установленной неподвижно с образованием зазора с днищем, герметизированной в верхней части и снабженной соединенным с генератором колебаний побудителем колебаний, и упругими элементами в центральной трубе и кольцевой камере, побудитель колебаний установлен в верхней части центральной трубы при отношении величины зазора между ней и днищем к ее диаметру в интервале 0,3-0,65. 4 ил.

РЕЗОНАНСНЫЙ АППАРАТ, содержащий емкость, в которой неподвижно с образованием зазора с днищем емкости установлена центральная труба, герметизированная в верхней части и соединенная в верхней части с побудителем колебаний, отличающийся тем, что он снабжен коническим рассекателем, установленным на днище емкости соосно с трубой, упругими элементами, размещенными в емкости и в центральной трубе, а отношение величины зазора между торцом трубы и днищем емкости к диаметру трубы выбрано в интервале 0,3 - 0,65.