ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ ГАСПАКА-1 Российский патент 1995 года по МПК B01D11/02 

Изобретение относится к аппаратам для проведения тепломассообменных процессов в высококонцентрированных суспензиях в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, связанных с обработкой твердых дисперсий растительного, животного, минерального и химического происхождения.

Известен пульсационный экстрактор для проведения массообменых процессов жидкофазных смесях и разбавленных суспензиях, включающий U-образную экстракционную колонку с равновеликим (по всей длине рабочей зоны) поперечным сечением с двумя пульсационными камерами в верхней части ее колен, с патрубками для подвода двух полупериодных пневматических импульсов, контактными устройствами (тарелками), поперечно секционирующими рабочую зону аппарата, по два патрубка по концам каждого колена для подачи и отвода потоков дисперсионной и дисперсной сред.

Недостатком аппарата является невысокая эффективность при проведении в нем процессов тепломассообмена с твердыми дисперсиями из-за их низкой концентрации и неразвитой удельной поверхности массопередачи. Традиционное наложение симметричных пульсаций с частотой 0,5-1,5 Гц и амплитудой 0,03-0,05 м на контактирующие потоки сред не оказывает существенного влияния ни на интенсивность процесса, ни на эффективность использования рабочего объема аппарата. Пульсации оказывают влияние на интенсивность массообмена главным образом за счет интенсификации массопереноса в пограничных слоях жидкой среды. Работоспособность аппарата ограничивается концентрациями суспензии до 20 и размерами твердых частиц до 10^-3 м. Наложение пульсаций приводит к снижению предельных технологических скоростей сред на 10-20
Близок по характерным признакам к предлагаемому изобретению пульсационный экстрактор, включающий цилиндрический корпус с установленным в нем коаксиальным цилиндром с поперечным сечением меньше кольцевого сечения, образуемого им с корпусом, патрубок на коаксиальном цилиндре для подвода однонаправленных пневматических импульсов давления, патрубки для подвода и отвода дисперсионной и дисперсной сред, контактные устройства, поперечно секционирующее кольцевое пространство аппарата.

Вместе с отмеченными выше недостатками в этом аппарате неэффективно используется его рабочий объем. Процесс протекает только в рабочей зоне кольцевого пространства.

Потеря работоспособности известных конструкций пульсационных аппаратов с ростом концентрации и размера частиц твердой дисперсии связано с качественными изменениями рабочей среды. При концентрациях твердой дисперсии 20 и более на свойствах рабочей среды начинает проявляться взаимодействие частиц твердой дисперсии. Рабочая смесь приобретает свойства текучих гранулированных сред, в которых при сдвиге возникают дисперсионное давление и трение на стенках канала, связанные законом Кулона.

В этом случае любое сужение канала может привести к образованию пробок. Устойчивое равномерное управление технологическими потоками взаимодействующих сред становится невозможным.

Задача изобретения повышение эффективности процесса тепломассообмена в высококонцентрированных суспензиях за счет использования для технологического транспортирования твердой дисперсии эффектов пульсационного течения гранулированной среды, легкой управляемости потоками контактирующих сред и режимами проведения процесса, а также создание близких к оптимальным условий для тепломассообмена.

Гидродинамические условия процесса, концентрация твердой дисперсии, режимы движения рабочей смеси определяют выбор конструктивной схемы аппарата и его основных геометрических и режимных параметров. Одним из вариантов конструктивного оформления аппарата, обеспечивающим формирование в нем гранулированной среды, устойчивой к внешним возмущениям, является полый U-образный канал с сечением колен, отвечающим соотношению S₁<S₂. Колено с сечением S₁ является приемным, а колено с сечением S₂ отводящим для твердой фазы. Технологическое транспортирование твердой дисперсии происходит при пульсационном воздействии импульсами давления на гранулированную среду через приемное колено аппарата. Импульс давления совершает работу по преодолению сил трения среды и созданию перепада столбов жидкости в коленах канала. За счет этого перепада происходит возврат ее к исходному уровню в режиме фильтрации через неподвижный слой твердой дисперсии. В первом приближении местным гидравлическим сопротивлением при переходе из одного колена аппарата в другое можно пренебречь, и величина импульса давления определяется из условия равенства нулю импульса сил, действующих на среду во время движения. Поэтому после некоторых упрощений имеем выражение
<Δ_p>D₁-9,0L₁+ L-<ρ>gD₁<h -h₁>= 0 где в скобках обозначены средние значения заключенных в них величин; Δ р избыточное давление в секции приемного колена с диаметром D₁; V₁ -V скорость в канале с диаметром D₁; h₂ и h₁ средние уровни среды в отводящем втором и первом приемном каналах в начале и в конце ее движения; D₂ диаметр отводящего канала; ρ, η плотность и вязкость среды; L₁₍₂₎ длины колен; d средний диаметр частиц; λ l/[C_o/C)^1/2-l] где С_о ≃ 0,75 максимальная концентрация твердой дисперсии.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема тепломассообменного аппарата; на фиг. 2 вид А на фиг. 1, аппарат с гравитационной эвакуацией твердой дисперсии (вариант I).

Аппарат состоит из корпуса 1, разделенного вертикальной перегородкой 2, наглухо соединенной с верхним днищем аппарата, пульсационной камеры 3, соединенной через патрубок 4 с источником импульсов давления, бункера смесителя 5 твердой дисперсии с выходящим потоком дисперсионной среды, штуцеров 6,7 для подачи твердой дисперсии и отвода дисперсионной среды, устройства 8 для эвакуации твердой дисперсии, выполненного в виде примыкающего к верхнему днищу окна в боковой стенке аппарата с отводящим лотком 9 (вариант I), или бункера приемника со шнеком и приводом (вариант II), штуцера 10 для подачи дисперсионной среды.

Бункер-смеситель 5 состоит из корпуса, люка 11, штуцеров 12 и 13 для отвода и приема экстракта, шнека питателя с приводом 14.

Аппарат работает следующим образом.

Устанавливается заданный расход дисперсионной среды через штуцера 10, 12 и 13. Через люк 11 загружается твердая дисперсия и шнеком-питателем 14 подается через штуцер 6 в аппарат. Подача твердой дисперсии осуществляется при подаче через штуцер 4 расчетных импульсов. При загрузке аппарата твердой дисперсией отводится избыточный объем жидкости. При достижении предельной концентрации твердой дисперсии в аппарате формируется гранулированная среда, которая перемещается под воздействием импульсов давления в отводящее колено канала. По мере перемещения твердой дисперсии к выгружному устройству 9 выше уровня дисперсионной среды формируется уплотненный слой дисперсии в виде "пробки" свободной от дисперсионной среды (жидкости). При достижении "пробки" нижнего среза выгружного окна происходит разрушение ее и эвакуация в отводящий лоток 9 или в бункер-приемник.

Движение гранулированной среды происходит со скоростями, на два порядка превышающими скорость псевдоожижения. Твердая дисперсия движется в режиме, близком к поршневому, за исключением пристенных слоев с толщиной примерно 5 d. При движении частицы совершают хаотическое движение относительно друг друга.

Гидродинамика гранулированных сред в последние десятилетия привлекает внимание исследователей. Результаты этих исследований хорошо согласуются с наблюдаемой в исследованных моделях гидродинамикой и сопутствующим эффектам. Экспериментальные измерения и расчеты импульсов давления, их продолжительность дают значения рабочих давлений порядка 500-1000 Па, при отношении времени его приложения к времени возврата дисперсионной среды к исходному уровню от единицы и менее. Продолжительность действия импульса давления на среду находится в пределах 0,1-5 с.

Изобретение относится к аппаратам для проведения тепломассообменных процессов в высококонцентрированных суспензиях в химической, фармацевтической, прищевой и других отраслях промышленности, связанных с обработкой твердых дисперсий растительного, животного, минерального и химического происхождения. Аппарат состоит из корпуса 1, разделенного вертикальной перегородкой 2, пульсационной камеры 3, соединенной через патрубок 4 с источником импульсов давления, бункера 5, штуцеров 6 и 7, устройства 8 для эвакуации твердой дисперсии с отводящим лотком 9, штуцера 10. Бункер 5 состоит из корпуса, люка 11, штуцеров 12 и 13, шнека питателя с приводом 14. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1.Тепломассообменный аппарат, состоящий из корпуса с рабочей зоной, выполненный в виде U-образного канала, штуцеров для подвода и отвода дисперсии и дисперсионной среды, штуцеров для подачи и стравливания пневматических импульсов давления, отличающийся тем, что он снабжен устройством для отвода твердой дисперсии, корпус снабжен вертикальной перегородкой, установленной с образованием U-образного канала с сечениями колен, отвечающими условию S₁ ≅ S₂, где S₁ сечение приемного колена, S₂ - отводного, при этом на верхнем глухом конце колена с меньшим сечением S₁ размещены штуцеры подвода твердой дисперсии, отвода дисперсионной среды, подачи и стравливания пневматических импульсов давления, а на колене с большим сечением S₂ устройство для отвода твердой дисперсии и штуцер подачи дисперсионной среды с установкой уровня нижнего среза устройства для отвода твердой дисперсии выше максимально допустимого уровня дисперсионной среды в этом колене. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что характерная величина импульса давления определяется уравнением

где в скобках обозначены средние значения заключенных в них величин;
ΔP избыточное давление в секции приемного колена диаметром D₁;
v₁ скорость в канале диаметром D₁;
h₂ и h₁ средние уровни среды в отводящем втором и первом приемном каналах в начале и в конце ее движения;
D₂ диаметр отводящего канала;
ρ и η плотность и вязкость среды;
d средний диаметр частиц;
λ = 1/[C_o/C)^1/2-1],
где C_o≃ 0,75 максимальная концентрация твердой дисперсии. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он снабжен бункером-смесителем для предварительного насыщения твердой дисперсии отводимым потоком дисперсионной среды, сообщенным с штуцерами для подвода твердой дисперсии и отвода дисперсионной среды.