ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТЯМИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК B01D11/02 B01D12/00 

Изобретение может быть использовано для проведения процессов обработки жидкостями твердых частиц, в том числе капиллярно-пористых, например пропитки, промывки, экстрагирования, выщелачивания, проведения ионообменных процессов, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, лесохимической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности. Преимущественная область применения - мелкодисперсные и уплотняющиеся твердые частицы.

Известен аппарат для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц (МПК 6 B 01 D 11/02, 12/00, пат. РФ 2077362), содержащий один или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, причем в каждом корпусе симметрично размещены содержащие обрабатываемую суспензию одинаковые заглушенные в верхней части камеры с проницаемыми для жидкости днищами и, по меньшей мере, одна из них соединена с побудителем колебаний давления.

В известном аппарате возможно достижение взвешивания твердых частиц, приводящее к ускорению процессов массопереноса в объеме аппарата, достижимы также значительные амплитуды давления, способствующие ускорению массопереноса внутри частиц. Однако при обработке уплотняющихся частиц, к которым относятся многие виды растительного сырья, в той камере, где жидкость фильтруется, двигаясь вниз, происходит сжатие (уплотнение) слоя частиц, приводящее к резкому увеличению гидравлического сопротивления слоя. В результате скорость жидкости падает практически до нуля, и, как следствие - в другой камере, где жидкость движется вверх, не происходит взвешивания слоя частиц. В обеих камерах образуется очень плотный слой частиц с низкой проницаемостью, где процессы массопереноса существенно затруднены из-за отсутствия конвективного переноса вещества. Аналогичные явления, связанные с высоким гидравлическим сопротивлением, характерны и для неуплотняющихся мелкодисперсных частиц. Общий итог - практически полная потеря функциональной работоспособности аппарата (т.е. его отказ), резкое падение эффективности процесса массопереноса вследствие ее перехода в чисто диффузионную область. Все это является серьезным недостатком аппарата и сводит на нет все его достоинства.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение надежности и эффективности аппарата.

Нужный результат достигается тем, что в пульсационном аппарате для обработки жидкостями твердых частиц, содержащем один или более одинаковых рабочих корпусов, закрытых сверху крышками и соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, к рабочим корпусам в нижней части подключена труба, верхний конец которой соединен с пульсационным корпусом, причем побудитель колебаний давления подключен к верхней части рабочих корпусов или пульсационного корпуса, а объем жидкости V_п (м³) в пульсационном корпусе должен устанавливаться не менее

где p₀ - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в начале цикла сжатия, Па;
p_к - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия, Па;
V_вр - сумма объемов воздуха в рабочих корпусах при давлении р₀, м³,
при этом в пульсационном корпусе установлен отбойник.

Нужный результат достигается также тем, что способ эксплуатации пульсационного аппарата для обработки жидкостями твердых частиц заключается в возбуждении колебаний суспензии в аппарате, причем при подводе колебаний давления к верхней части рабочих корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз превышает продолжительность сброса давления, а при подводе колебаний давления к верхней части пульсационных корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз короче продолжительности сброса давления.

На фиг.1-4 показаны варианты реализации аппарата. На фиг.1, 2 побудитель колебаний давления соединен с пульсационным корпусом, а на фиг.3, 4 - с рабочими корпусами.

Аппараты, показанные на фиг.1, 3, содержат один рабочий корпус, а аппараты, представленные на фиг.2, 4 - по два рабочих корпуса. Рабочие корпусы 1 в нижней части соединены друг с другом посредством трубы 2, к которой подключен пульсационный корпус 3. Пульсационный корпус 3 (на фиг.1, 2) либо рабочие корпусы 1 (на фиг.3, 4) в верхней своей части соединены с побудителем колебаний давления 4, в качестве которого может служить цилиндр с поршнем, совершающим возвратно-поступательные движения, либо пневмоклапан, управляемый генератором импульсов. Рабочие корпусы 1 в нижней части снабжены также проницаемыми для жидкости перегородками 5, а в верхней части рабочие корпусы 1 закрыты крышками 6. На проницаемых перегородках 5 уложен слой 7 обрабатываемых твердых частиц. В пульсационном корпусе 3 может быть установлен отбойник 8, служащий для предотвращения проскока струи жидкости в побудитель колебаний при его подключении к пульсационному корпусу (фиг.1, 2). В случае ввода колебаний к нескольким рабочим корпусам побудитель колебаний подключают к трубе 9, соединенной с верхними частями рабочих корпусов (фиг. 4). Рабочие корпусы могут быть снабжены рубашкой, змеевиками для нагрева рабочей среды (условно не показаны). Люки для загрузки и выгрузки твердого материала могут быть установлены в верхней и боковой части корпуса соответственно и на схемах условно не показаны. Кроме того, для выгрузки твердого материала днища рабочих корпусов могут быть выполнены откидными.

Аппараты работают следующим образом. В рабочие корпусы 1 загружают исходные компоненты - твердые частицы и жидкость, при этом объем жидкости в пульсационном корпусе должен устанавливаться не менее

где р₀ - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в начале цикла сжатия, Па;
р_к - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия, Па;
V_вр - сумма объемов воздуха в рабочих корпусах при давлении р₀, м³.

После этого крышки 6 рабочих корпусов закрывают и включают побудитель колебаний 4. В стадии импульса (увеличения давления) в пульсационный корпус 3 (см. фиг. 1, 2) или в рабочие корпусы 1 (см. фиг.3, 4) из побудителя колебаний подается сжатый газ (например, воздух). Далее процесс колебаний жидкости развивается следующим образом.

В случае подключения побудителя колебаний к пульсационному корпусу 3 (см. фиг. 1, 2) под действием быстро нарастающего давления сжатого газа жидкость с большим ускорением из пульсационного корпуса перелавливается через трубу 2 в пространство под решетками 5 в рабочих корпусах 1, проникая сквозь слой твердых частиц 7, разрушая межчастичные связи и псевдоожижая его. По мере передавливания жидкости из объема пульсационного корпуса 3 уровень жидкости в рабочих корпусах 1 повышается, а газ, находящийся между крышками 6 и жидкостью в рабочих корпусах 1, сжимается, накапливая потенциальную энергию. Ввиду достаточно большого расстояния от сливного патрубка в пульсационном корпусе 3 до отбойника 8, отбойник 8 не оказывает заметного сопротивления движению жидкости. При сбросе давления величина давления в пульсационном корпусе становится близкой к атмосферному (в особых случаях может быть использовано подключение к вакуумной линии). Под действием повышенного давления сжатого газа под крышками 6 жидкость из рабочих корпусов начинает медленно перелавливаться обратно через слой частиц. Благодаря настройкам побудителя колебаний продолжительность стадии сброса давления для схем, показанных на фиг. 1, 2, в 2-20 раз (меньшие значения относятся к крупным частицам и маловязким жидкостям, большие - к мелким частицам и жидкостям с повышенной вязкостью) больше продолжительности увеличения давления, что обеспечивает достаточно медленный процесс фильтрации жидкости сквозь слой частиц 7, через трубу 2 обратно в пульсационный корпус 3, предотвращая тем самым уплотнение слоя частиц. Далее процесс колебаний повторяется. Отбойник 8 препятствует прямым попаданиям струи жидкости в побудитель колебаний.

В случае подключения побудителя колебаний к рабочим корпусам 1 (см. фиг. 3, 4) под действием медленно нарастающего давления сжатого газа жидкость с малой скоростью фильтруется сквозь слой частиц 7, передавливаясь через трубу 2 в пульсационный корпус 3. Продолжительность стадии увеличения давления в этом случае в 2-20 раз превышает продолжительность сброса давления, поэтому малая скорость движения жидкости на этой стадии предотвращает уплотнение слоя частиц на проницаемых перегородках 5. По мере передавливания жидкости из объема рабочих корпусов 1 в пульсационный корпус 3 уровень жидкости в нем повышается, а газ, находящийся над уровнем жидкости в пульсационном корпусе 1, сжимается, накапливая потенциальную энергию. При сбросе давления величина давления в рабочих корпусах становится близкой к атмосферному, причем благодаря настройкам побудителя колебаний давления сброс давления происходит за короткий промежуток времени. Под действием повышенного давления сжатого газа в пульсационном корпусе 1 жидкость из него начинает быстро передавливаться обратно в рабочие корпуса 1 через трубу 2, проникая с большим ускорением сквозь перегородки 5 и слой частиц 7, разрушая межчастичные связи и псевдоожижая слой частиц 7. Благодаря высоким диссипативным свойствам псевдоожиженный слой частиц препятствует попаданию струи жидкости в побудитель колебаний. Далее процесс колебаний повторяется.

Во всех случаях периодическое увеличение и сброс давления способствуют улучшению внутреннего массопереноса в порах частиц (при обработке капиллярно-пористых частиц), а пульсационное псевдоожижение интенсифицирует процесс перемешивания в межчастичном пространстве в объеме аппарата, способствуя выравниванию концентраций и температур.

Выполнение условия (1) гарантирует наличие в пульсационном корпусе количества жидкости, достаточного для достижения заданного давления р_к воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия.

Пример конкретного выполнения. Аппарат для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц выполнен согласно схеме, представленной на фиг.2. Номинальный объем каждого из двух рабочих корпусов - 0,5 м³, номинальный объем пульсационного - 0,1 м³. Объем воздуха в каждом рабочем корпусе при начальном абсолютном давлении (р₀=10⁵ Па) v_вр=0,05 м³. Расчетное абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия р_к=2,5•10⁵ Па. Согласно формуле (1) объем жидкости в пульсационном корпусе должен быть не менее

Аппарат с расчетным параметрами был использован для получения настойки из измельченных ягод боярышника, склонных к слеживанию и уплотнению. Продолжительность каждой из пяти ступеней процесса не превышала 30 мин, тогда как при использовании обычной технологии продолжительность каждой ступени составляет 24 часа. При этом концентрация экстрактивных веществ в полученной по предлагаемому способу настойке оказалась в 3,5 раза выше, чем в полученной при обычном настаивании. Это подтверждает высокую эффективность предлагаемого изобретения. Визуальный осмотр показал, что слой частиц после обработки в предлагаемом аппарате сохранил состояние рыхлой насыпки, т.е. не уплотнился, что свидетельствует о высокой надежности предлагаемого изобретения.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет добиться вышеуказанного технического результата.

Изобретение используют для проведения процессов обработки жидкостями твердых частиц, например пропитки, промывки, экстрагирования, выщелачивания и др. Аппарат содержит один и более одинаковых рабочих корпусов, закрытых сверху крышками и соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки. К рабочим корпусам в нижней части подключена труба, верхний конец которой соединен с пульсационным корпусом. Побудитель колебаний давления подключен к верхней части рабочих корпусов или пульсационного корпуса. Объем жидкости V_п(M³) в пульсационном корпусе должен устанавливаться не менее где р₀ - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в начале цикла сжатия, Па; р_к - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия, Па; V_вp - сумма объемов воздуха в рабочих корпусах при давлении р₀, м³. Способ эксплуатации аппарата заключается в возбуждении колебаний суспензии в аппарате. При подводе колебаний давления к верхней части рабочих корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз превышает продолжительность сброса давления, а при подводе колебаний давления к верхней части пульсационных корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз короче продолжительности сброса давления. При эксплуатации аппарата данной конструкции достигается повышение его надежности и эффективности. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пульсационный аппарат для обработки твердых частиц, содержащий один или более одинаковых рабочих корпусов, закрытых сверху крышками и соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, отличающийся тем, что к рабочим корпусам в нижней части подключена труба, верхний конец которой соединен с пульсационным корпусом, причем побудитель колебаний давления подключен к верхней части рабочих корпусов или пульсационного корпуса, а объем жидкости V_п(м³) в пульсационном корпусе должен устанавливаться не менее

где р₀ - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в начале цикла сжатия Па;
р_к - абсолютное давление воздуха в пульсационных корпусах в конце цикла сжатия, Па;
Y_вp - сумма объемов воздуха в рабочих корпусах при давлении р₀, м³. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в пульсационном корпусе установлен отбойник. 3. Способ эксплуатации аппарата по п. 1, заключающийся в возбуждении колебаний суспензии в аппарате, отличающийся тем, что при подводе колебаний давления к верхней части рабочих корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз превышает продолжительность сброса давления, а при подводе колебаний давления к верхней части пульсационных корпусов продолжительность стадии увеличения давления в 2-20 раз короче продолжительности сброса давления.