ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТЯМИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2002 года по МПК B01D11/02 B01D12/00 

Предлагаемое изобретение может быть использовано для проведения процессов обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц, например пропитки, промывки, экстрагирования, выщелачивания, и может быть использовано в химической, фармацевтической, пищевой, лесохимической, гидрометаллургической и других отраслях промышленности.

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, побудитель колебаний давления, технологические патрубки, в каждом корпусе симметрично размещены содержащие обрабатываемую суспензию одинаковые камеры с проницаемыми для жидкости днищами, соединенные друг с другом в нижней части, а в верхней части камеры заглушены и, по меньшей мере, одна из них соединена с побудителем колебаний давления. В известном аппарате нерационально используется его рабочий объем, т.к. существуют зоны (днища, соединительные трубы), не заполненные сырьем - капиллярно-пористыми частицами.

При движении жидкости вниз в известном аппарате сквозь зернистый слой, лежащий на проницаемом днище, происходит его прижатие к днищу, сопровождающееся уменьшением объемной доли пор и их эквивалентного размера, что приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления зернистого слоя. В случае обработки сильно сжимаемых частиц, обладающих значительным внутренним и внешним трением, может образоваться трудно разрушаемый плотный слой, обладающий чрезвычайно большим гидравлическим сопротивлением - "пробка". Это, в свою очередь, может вести не только к нарушению резонансного режима колебаний, но и к полной остановке колебаний жидкости в аппарате, что резко снижает эффективность аппарата и его надежность, поскольку массоперенос будет проходить в чисто диффузионной области внутри сильно уплотненного, трудно разрушаемого зернистого слоя. Разрушение пробки для удаления частиц из аппарата без проведения специальных мероприятий не представляется возможным.

Технический результат предлагаемого изобретения - рациональное использование объема аппарата, повышение эффективности устройства и надежности его работы.

Нужный результат достигается тем, что в пульсационном аппарате для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц, содержащем два или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, корпусы в нижней части соединены переточным каналом, имеющим одинаковое с ними проходное сечение, при этом стенки корпусов и переточного канала снабжены кольцевыми камерами, наружная стенка которых непроницаема, а стенка между камерами и основным объемом аппарата проницаема для жидкости и непроницаема для твердых частиц, длина камер в осевом направлении лежит в диапазоне 0,2-1 от диаметра корпусов, а расстояние между ними составляет 0,5-2 от диаметра корпусов.

Нужный результат достигается также тем, что стенки корпусов и переточного канала снабжены кольцевыми камерами, наружная стенка которых непроницаема, а стенка между камерами и основным объемом аппарата проницаема для жидкости и непроницаема для твердых частиц, расстояние между камерами находится в пределах 0,5-2 от диаметра корпусов, причем к верхней части каждого из корпусов подключены входные патрубки перепускных клапанов, выпускные патрубки которых соединены с кольцевыми камерами, а к верхним частям корпусов подключены дифференциальные манометры, управляющий сигнал с которых подается на перепускные клапаны.

На фиг.1, 3-5 показаны варианты реализации аппарата, содержащего два корпуса 1, на фиг.2 - три корпуса 1, соединенные в нижней части переточным каналом 2, имеющим одинаковое с корпусами проходное сечение. В верхней части корпусы 1 герметично закрыты крышками 3, в нижней части установлено откидное днище 4 с ложным днищем 5, проницаемым для жидкости. Для слива экстракта служит патрубок 6, снабженный вентилем 7. К одному из корпусов в верхней части подключен побудитель колебаний давления 8, например цилиндр с поршнем. В аппарат загружена обрабатываемая суспензия 9.

На фиг.3 показан вариант исполнения аппарата, снабженного кольцевыми камерами 10, отделенными от основного объема аппарата проницаемыми для жидкости и непроницаемыми для твердых частиц, например перфорированными, перегородками 11. Длина L камер 10 в осевом направлении находится в диапазоне 0,2-1 от диаметра D корпусов, а расстояние Н между ними составляет 0,5-2 от диаметра корпусов.

На фиг. 4 показан вариант исполнения аппарата, снабженного кольцевыми камерами 10, отделенными от основного объема аппарата проницаемыми для жидкости и непроницаемыми для твердых частиц перегородками 11, причем расстояние Н между кольцевыми камерами 10 составляет 0,5-2 от диаметра D корпусов. К верхней части каждого из корпусов подключены входные патрубки 12 перепускных клапанов 13, выпускные патрубки 14 которых соединены с кольцевыми камерами 10 при помощи трубопроводов 15.

На фиг. 5 показан вариант исполнения аппарата, аналогичного показанному на фиг.4. К входным патрубкам 12 управляемых перепускных клапанов 16, выпускные патрубки 14 которых соединены с кольцевыми камерами 10 при помощи трубопроводов 15. Особенность данного аппарата - подключенный к верхним частям корпусов 1, например, через патрубки 12 дифференциальный манометр 17, сигнал с которого усиливается усилителем 18 и передается на управляемые перепускные клапаны 16.

Во всех аппаратах в пространстве между зеркалом жидкости и крышками 3 образуются газонаполненные подушки 19, играющие роль упругих элементов в процессе колебаний (далее - упругие элементы, УЭ). Роль инерционного элемента выполняет суспензия 9.

Аппараты работают следующим образом. После загрузки в аппарат (в корпусы 1 и переточный канал 2) исходных компонентов - капиллярно-пористых частиц и экстрагента - крышки 3 герметизируют. При включении побудителя колебаний давления 8 в правом (для фиг.2 - в центральном) газонаполненном упругом элементе 19 давление быстро возрастает, под действием возникшего перепада давлений суспензия передавливается из правого корпуса 1 в левый (для фиг.2 - из центрального в периферийные), уровень жидкости в левом (для фиг.2 - в периферийных) УЭ 19 поднимается, газ в нем (в них) сжимается. На стадии сброса давления в побудителе колебаний 8 перепад давления меняет знак, под действием повышенного давления в левом (для фиг.2 - в периферийных) УЭ 19 суспензия перетекает обратно из левого корпуса 1 в правый (для фиг.2 - из периферийных корпусов 1 в центральный). Благодаря разнице плотностей жидкости и капиллярно-пористых частиц происходит их проскальзывание, выражающееся в том, что амплитуда колебаний жидкости (как менее плотной среды) превышает амплитуду колебаний частиц. Такое поведение суспензии способствует выравниванию концентраций извлекаемого вещества в объеме аппарата, т.е. интенсифицируется внешняя массоотдача от поверхности частиц. Интенсификация внутреннего массопереноса (например, для процесса экстрагирования) обеспечивается тем, что под действием избыточного давления жидкость проникает глубоко в поры капиллярно-пористых частиц, насыщается извлекаемым веществом и на стадии сброса давления покидает поры, обладая высокой концентрацией.

При установлении частоты изменений давления побудителя колебаний давления 8, равной или близкой к собственной частоте колебаний колебательной системы "суспензия 9 (инерционный элемент) и газонаполненные упругие элементы 19" в системе могут возникать резонансные колебания, выражающиеся в резком увеличении амплитуды колебаний среды, что дополнительно ускоряет процессы обработки.

После окончания процесса при открытом вентиле 7 сливают жидкость через патрубок 6, затем откидывают днище 4 и выгружают обработанные частицы.

В случае обработки сильно сжимаемых частиц либо частиц, обладающих значительным внутренним и внешним трением, образованию "пробки" препятствуют следующие факторы. Соединение корпусов в нижней части переточным каналом, имеющим одинаковое с ними проходное сечение уменьшает вероятность пережатия слоя частиц. Наличие кольцевых камер приводит к перераспределению потоков жидкости (показаны стрелками на фиг.6) уже в начале процесса уплотнения слоя частиц. Часть жидкости, фильтрующейся через слой частиц, достигая края проницаемой перегородки 11, движется через эту перегородку, попадая сначала в кольцевую камеру 10, и далее из нее - в направлении, противоположном радиальному, снова проникает в слой частиц, способствует образованию радиальных сжимающих напряжений. Возникающее при этом перераспределение механических напряжений в слое частиц (радиальные напряжения σ_г- сжимающие, осевые δ_z- растягивающие) способствует расширению слоя частиц вдоль оси аппарата, снижает радиальные распорные усилия со стороны частиц на стенки аппарата, а также силы трения между частицами и стенками аппарата. В целом этот процесс препятствует пробкообразованию. Выполнение длины L камер 10 в осевом направлении в диапазоне 0,2-1 от диаметра D корпусов обеспечивает условия для проникновения жидкости внутрь камер и дальнейший ее выход в слой частиц (большие значения относятся к более крупным частицам и менее вязкой жидкости, меньшие - к мелким частицам и более вязкой жидкости). Выполнение расстояния Н между камерами 0,5-2 от диаметра корпусов гарантирует несущественное возрастание осевых напряжений в слое частиц в межкамерных участках аппарата (меньшие значения относятся к частицам, обладающим большими коэффициентами внутреннего и внешнего трения, большие - к частицам, обладающим малыми коэффициентами внутреннего и внешнего трения).

Пробкообразованию препятствует также подключение к верхним частям аппаратов входных патрубков перепускных клапанов 13 или 16 (см. фиг.4 и 5 соответственно). При формировании пробки гидравлическое сопротивление слоя частиц резко возрастает. При этом давление в УЭ 19 также сильно увеличивается. Тогда подключенный к нему перепускной клапан 13 открывается, перепуская давление в кольцевые камеры 10. Жидкость импульсно движется в направлении, противоположном радиальному, способствуя снижению радиальных напряжений, препятствуя тем самым уплотнению "пробки". В аппарате, показанном на фиг.5, при достижении перепада давлений между УЭ 19 выше определенного значения сигнал с дифференциального манометра 17, усиленный усилителем 18, превышает заданное критическое значение, и соответствующий клапан 16 (соединенный с тем УЭ 19, где давление выше) открывается, перепуская давление в кольцевые камеры 10. Проникающая из кольцевых камер 10 сквозь перегородки 11 жидкость препятствует возникновению пробки. Выполнение расстояния Н между камерами 0,5-2 от диаметра корпусов гарантирует несущественное возрастание осевых напряжений в слое частиц в межкамерных участках аппарата (меньшие значения относятся к частицам, обладающим большими коэффициентами внутреннего и внешнего трения, большие - к частицам, обладающим малыми коэффициентами внутреннего и внешнего трения).

Пример конкретного выполнения. Предлагаемые способ и устройство были проверены в лабораторных условиях на стеклянном лабораторном аппарате диаметром 35 мм и длиной (по осевой линии) 700 мм, схема которого соответствует фиг. 1, на примере процесса экстрагирования из дробленых ягод боярышника в 70% раствор этанола. В аппарат загружали 100 г боярышника, заполняли аппарат раствором этанола и оставляли на Т часов для замачивания. Затем включали побудитель колебаний давления и проводили процесс экстрагирования в течение 20-34 мин. После слива полученной настойки в аппарат добавляли новую порцию экстрагента и сразу включали побудитель колебаний давления (всего 4 ступени процесса). Полученные на всех ступенях настойки смешивали, всего получено 1 л настойки. Результаты экспериментов и анализа проб для трех серий показаны в таблице.

Из таблицы видно, что во всех случаях содержание действующих веществ - флавоноидов, а также масса сухого остатка в полученной настойке в 3-5 раз выше нормы, а содержание спирта - не ниже нормы.

Это свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого устройства. Наблюдения за колебаниями суспензии показали, что пробкообразование в аппарате не происходит, что подтверждает высокую надежность предлагаемого изобретения.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет добиться вышеуказанного технического результата.

Изобретение предназначено для химической, фармацевтической, пищевой, лесохимической, гидрометаллургической промышленности. Аппарат содержит два корпуса 1, соединенных в нижней части переточным каналом 2, имеющим одинаковое с корпусами 1 проходное сечение. Корпусы 1 в верхней части герметично закрыты крышками 3. В нижней части установлено откидное днище 4 с ложным днищем 5, проницаемым для жидкости. Патрубок 6 служит для слива экстракта. К одному из корпусов 1 подключен побудитель давления 8. В аппарат загружена обрабатываемая суспензия 9. Аппарат снабжен дополнительно кольцевыми камерами 10, внешняя стенка которых непроницаема. Камеры 10 отделены от основного объема аппарата перфорированными перегородками 11. Длина камер 10 в осевом направлении - 0,2-1 от диаметра корпусов 1, расстояние Н между камерами 10-(0,5-2) от диаметра корпусов. К верхней части каждого корпуса 1 подключены входные патрубки 12 перепускных клапанов 13, выпускные патрубки 14 которых соединены с кольцевыми камерами 10 трубопроводами 15. Газонаполненные подушки 19 под крышками 3 играют роль упругих элементов в процессе колебаний. Аппарат может содержать более двух корпусов. Аппарат надежен в эксплуатации за счет исключения пробкообразования и эффективен при проведении процессов экстракции. 3 з.п.ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Пульсационный аппарат для обработки жидкостями капиллярно-пористых частиц суспензий, содержащий два или более одинаковых корпусов, соединенных друг с другом в нижней части, побудитель колебаний давления и технологические патрубки, отличающийся тем, что корпусы в нижней части соединены переточным каналом, имеющим одинаковое с ними проходное сечение. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что стенки корпусов и переточного канала снабжены кольцевыми камерами, наружная стенка которых непроницаема, а стенка между камерами и основным объемом аппарата проницаема для жидкости и непроницаема для твердых частиц, причем длина камер в осевом направлении лежит в диапазоне 0,2-1 от диаметра корпусов, а расстояние между ними составляет 0,5-2 от диаметра корпусов. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что стенки корпусов и переточного канала снабжены кольцевыми камерами, наружная стенка которых непроницаема, а стенка между камерами и основным объемом аппарата проницаема для жидкости и непроницаема для твердых частиц, расстояние между камерами находятся в пределах 0,5-2 от диаметра корпусов, причем к верхней части каждого из корпусов подключены входные патрубки перепускных клапанов, выпускные патрубки которых соединены с кольцевыми камерами. 4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что к верхним частям корпусов подключены дифференциальные манометры, управляющий сигнал с которых подается на перепускные клапаны.