АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Советский патент 1995 года по МПК B01J8/00 B01J14/00 

Изобретение относится к оборудованию для проведения химических процессов (осаждения, растворения, выщелачивания и т.п.) и может быть использовано в химической, радиохимической и других отраслях промышленности.

Известен аппарат с пневмопульсационным перемешиванием жидкостей, состоящий из рабочей емкости и пульсационной камеры, соединенных между собой трубопроводом. В ходе процесса перемешивание жидкостей осуществляется за счет импульсной подачи газа в пульсационную камеру с последующей его сдувкой. При этом происходит вертикальное колебательное движение жидкости в аппарате под воздействием двух факторов: давления газа в пульсационной камере в момент подачи газа и гидростатического давления за счет возникающей разности уровней жидкости в пульсационной камере и рабочей емкости в момент сдувки газа.

Недостатком этого аппарата является низкая интенсивность перемешивания в связи с малой движущей силой процесса (она ограничена высотой гидростатического столба жидкости), так как происходит одностороннее пульсационное перемешивание, что обусловливает неравномерное перемешивание жидкости по всему объему. В случае применения этого аппарата для осуществления химического процесса неравномерность перемешивания не позволяет получить продукт требуемого качества (продукт с однородностью фракционного состава).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути и достигаемому результату является аппарат, содержащий вертикальную замкнутую камеру с коническим днищем, цилиндрическую вставку и пульсатор.

Цилиндрическая вставка делит аппарат на два смесительных отсека, причем одним отсеком является внутреннее пространство вставки, а другим кольцевое пространство между вставкой и замкнутой камерой. В данной конструкции предусмотрено двухстороннее пульсационное перемешивание. При этом в момент подачи сжатого газа в один отсек из другого происходит сдувка отработанного газа и наоборот. В этом аппарате исключается часть недостатков рассмотренного ранее аппарата, а именно низкая интенсивность перемешивания, так как появляется возможность увеличить движущую силу процесса за счет двухстороннего пульсационного перемешивания.

Однако данная конструкция аппарата эффективна лишь при чисто механическом перемешивании, когда допустимо единовременное сливание жидкостей в один аппарат, а качество смеси определяется только интенсивностью и длительностью перемешивания. В ряде же производств, в частности, при осаждении твердой фазы из растворов путем химического взаимодействия для получения кондиционного конечного продукта необходимо обеспечить медленное приливание одного реагента к другому (осадителя к раствору) и быстрое распределение осадителя по всему объему раствора.

Единовременное сливание нескольких реагентов в один аппарат и неравномерное распределение осадителя в объеме раствора приводят к местным пересыщениям раствора. Кристаллы твердой фазы, образовавшиеся в пересыщенном растворе, растут, продолжая реагировать с исходным раствором, и в результате концентрация растворенного вещества вблизи их поверхности быстро падает.

Это явление, именуемое далее неравномерностью химического взаимодействия, обусловливает получение чересчур мелких кристаллов, что оказывает отрицательное влияние на качество конечного продукта.

Невозможность обеспечения указанных условий в данном аппарате приводит к ухудшению кондиционных свойств получаемых смесей, необходимости переработки некондиционного продукта, а следовательно, к снижению производительности аппарата.

Кроме того, производительность такого аппарата при смешивании растворов, содержащих делящиеся материалы, ограничена требованиями ядерной безопасности. По этим требованиям размеры аппаратов (либо полный объем, либо их диаметр, либо толщина слоя раствора в аппарате) должны быть такими, чтобы исключить возможность самопроизвольной цепной реакции. Предельная величина диаметра, например, в большинстве таких процессов не превышает 110-130 мм. Очевидно, что производительность известного аппарата в этих условиях очень невелика и может быть повышена только за счет увеличения количества параллельно работающих аппаратов, что приведет к значительному усложнению технологической схемы из-за необходимости организации питания каждого аппарата в отдельности и оснащения системой контрольно-измерительных приборов и средств регулирования.

Целью изобретения является повышенные производительности и надежности работы аппарата за счет исключения возникновения цепной реакции при переработке растворов делящихся веществ.

Поставленная цель достигается тем, что аппарат для проведения химических процессов, содержащий цилиндрический корпус с крышкой и коническими днищем, размещенную в нем коаксиально цилиндрическую обечайку, верхний торец которой прикреплен к крышке, а нижний расположен на расстоянии от днища, патрубки подвода компонентов и вывода продукта и пульсатор, соединенный с полостями корпуса и обечайки посредством трехходовых кранов, снабжен размещенным на нижнем торце обечайки коническим донышком с закрепленным диаметрально на его внешней поверхности ребром, нижняя кромка которого образует с днищем аппарата щель, и двумя диаметрально расположенными, закрепленными между обечайкой и корпусом вертикальными перегородками, нижние торцы которых соединены с ребром.

Равномерность химического взаимодействия в этом аппарате достигается следующим образом. В процессе пульсационного перемешивания раствор перетекает из одной части кольцевой полости в другую через щель, образованную ребром и коническим днищем камеры. При этом изменение направления движения раствора при перетоке из цилиндрической части аппарата в коническую и набегание раствора на закрепленные на наружной поверхности донышка ребра приводят к сильной турбулизации раствора в аппарате. Подача осадителя в зону максимальной турбулизации в щель, образованную ребром и коническим днищем аппарата, позволяет быстро и равномерно распределить его во всем объеме аппарата и избежать явления местного пересыщения раствора. В связи с этим образующиеся кристаллы твердой фазы растут, постоянно контактируя с раствором, концентрация растворенного вещества в котором изменяется незначительно. Это создает благоприятные условия для роста кристаллов и обеспечивает получение кристаллов с оптимальными физико-химическими свойствами.

В связи с тем, что рабочим объемом в данном аппарате являются кольцевые полости между корпусом и цилиндрической обечайкой, в нем можно перерабатывать растворы делящихся материалов. При этом ядерная безопасность обеспечивается соблюдением допускаемого для данного раствора зазора между стенками корпуса и цилиндрической обечайки.

Кроме того, рациональная форма конструктивных элементов в заявляемом аппарате, обеспечивающем равномерность химического взаимодействия, позволяет избежать застойных зон в процессе перемешивания и обеспечивает полное опорожнение аппарата при выдаче продукта.

На фиг.1 представлен вертикальный разрез аппарата в плоскости вертикальных перегородок; на фиг.2 вертикальный разрез аппарата; на фиг.3 горизонтальный разрез аппарата.

Аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с коническим днищем 2 и цилиндрическую обечайку 3, снабженную донышком 4. Цилиндрическая обечайка 3 с донышком 4 установлена с зазорами к внутренней стенке корпуса 1 и коническому днищу 2. Величина этих зазоров определяется требованиями ядерной безопасности и устанавливается в зависимости от типа перерабатываемых растворов. В зазоре между внутренней стенкой корпуса1 и обечайкой 3 размещены радиальные перегородки 5, которые делят аппарат на отсеки 6 и 7. В зазоре между коническим днищем 2 и донышком 4 перегородки 5 переходят в ребра 8, закрепленные на наружной поверхности донышка 4. С внутренней стенкой конического днища 2 ребра 8 образуют щель, необходимую для перетока жидкости из отсека 6 в отсек 7 и наоборот.

Кроме того, на наружной поверхности донышка 4 закреплен наклонный барботер, представляющий собой перфорированную трубу 9 с патрубком 10 для подачи сжатого газа. Аппарат снабжен патрубком 11 для приема раствора и центральной трубой 12 для подачи осадителя в аппарат и выдачи продукта из аппарата.

Предусмотрены устройства для двустороннего пульсационного перемешивания в аппарате. На фиг. 2 показаны напорный трубопровод 13 для сжатого газа и сдувочный трубопровод 14. Поочередное подключение отсеков 6 и 7 к трубопроводам 13 и 14 производится с помощью клапанов 15 и 16, работающих, например, от реле времени, или с помощью любого другого распределительного устройства.

Аппарат работает следующим образом. Исходный раствор через патрубок 11 заливается в аппарат, с помощью клапанов 15 и 16 аппарат подключается к трубопроводам 13 и 14, начинается пульсационное перемешивание раствора. В момент подачи сжатого газа в отсек 6 и сдувки из отсека 7 исходный раствор из отсека 6 через щель перетекает в отсек 7, в момент подачи сжатого газа в отсек 7 и сдувки из отсека 6 раствор из отсека 7 через щель перетекает в отсек 6. При движении раствора сначала происходит сужение потока, а затем резкое его расширение, что приводит к сильной турбулизации потока, а следовательно, к интенсивному перемешиванию жидкости в аппарате. По центральной трубе 12 под давлением, несколько превышающим давление в аппарате, в щель подается осадитель, который сразу же увлекается сильно турбулизованным потоком жидкости и быстро распределяется по всему объему исходного раствора. Тем самым достигается равномерность химического взаимодействия по всему объему аппарата.

Например, в случае осаждения твердой фазы из растворов быстрое распределение осадителя по всему объему раствора обеспечивает контакт образовавшихся кристаллов со свежим раствором и создает благоприятные условия для дальнейшего роста кристаллов и обеспечения оптимальных физико-химических параметров кристаллов, что обусловливает высокое качество конечного продукта.

После окончания перемешивания и получения в аппарате готового продукта производится выдача продукта из аппарата по центральной трубе 12.

В случае выхода из строя системы пульсационного перемешивания, например клапанов 15 и 16, перемешивание растворов и выдача продукта из аппарата производятся с помощью наклонного барботера 9, размещенного в конической части аппарата. Сжатый газ при этом подается в барботер 9 через патрубок 10.

Технические преимущества предлагаемого аппарата заключаются в том, что он значительно проще в изготовлении, надежнее в эксплуатации и обеспечивает необходимые условия для получения кристаллов с требуемыми размерами. Для переработки растворов делящихся материалов возможно создание таких аппаратов на любую производительность с соблюдением требований ядерной безопасности.

АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, содержащий цилиндрический корпус с крышкой и коническим днищем, размещенную в нем коаксиально цилиндрическую обечайку, верхний торец которой прикреплен к крышке, а нижний расположен на расстоянии от днища, патрубки подвода компонентов и вывода продукта и пульсатор, соединенный с полостями корпуса и обечайки посредством трехходовых кранов, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и надежности в работе аппарата путем исключения возникновения цепной реакции при переработке растворов делящихся веществ, он снабжен размещенным на нижнем торце обечайки коническим донышком с закрепленным диаметрально на его внешней поверхности ребром, нижняя кромка которого образует с днищем аппарата щель, и двумя диаметрально расположенными, закрепленными между обечайками и корпусом вертикальными перегородками, нижние торцы которых соединены с ребром.