Способ проведения массо- (тепло) обменных,химических и микробиологических процессов и аппарат для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК B01D11/04 

3. Центробежный аппарат для проведения массо-(тепло)обменных химических и микробиологических процессов, включающий корпус, вращающийся ротор с насадкой, выполненный в виде коаксиально расположенных перфорированньт цилиндров, отверстия которых снабжены соплами и диффузорами, расположенными на соседних цилиндрах радиально, устройства ввода и вывода фаз, отличающ и йен тем, что сопла и диффузо.ры установлены на цилиндрах, размещенных в центре ротора и направлены к периферии ротора.

Изобретение относится к химической технологии и может найти применение Б различных производствах химической,коксохимической, нефтяно химико-фармацевтической, гидрометал лургической и других отраслях промышленности для осуществления проце сов массообмена (экстракция), тепло обмена (нагрев, охлаждение), химических (включая гетерогенные) и био логических превращений (например, в производстве пенициллина и других антибиотиков из культурных жидкосте в системах жидкость - жидкость, жид кость - твердое тело. Известен способ и устройство для проведения массообменных процессов двухфазньк систем путем диспергирования одной из фаз в другой - сплош ной фазе - и контактирования их в поле центробежных сил, когда жидкос ти во время их контакта движутся в роторе аппарата непрерывно и против точно tl Устройство (центробежный экстрак тор) для осуществления известного способа содержит кожух с расположен ным в нем ротором с насадкой, конта ная зона которого вьшолнена в виде профилированной щели, устройство ввода и вьтода фаз LllНедостатками известного способа и соответственного устройства для его осуществления являются низкая производительность, которая ограничена скоростью движения капель и режимом захлебывания аппарата (инверсия фаз), низкая эффективность ь ассообмена в сплошной фазе, обусло ленная тем, что при противоточном движении фаз в контактной зоне аппарата легкая фаза, как правило, движется в ламенарном режиме, которому соответствует.в основном молекулярный (диффузный) перенос вещества. При известном способе практически исключается возможность регулирования времени пребывания капель дисперсной фазы в аппарате, ибо соотношение между центробежной силой и силой гидродинамического сопротивления, действующей на каплю при ее движении в контактной зоне аппарата, непрерывно меняется по радиусу аппарата. Недостатком известного устройства (центробежного экстрактора) для осуществления известного способа является наличие мертвых зон в виде секторов в центральной части контактной зоны аппарата, между соплами для диспергирования тяжелой фазы, в которых исключается контакт фаз и, следовательно, снижается эффективность единицы объема контактной зоны аппарата. Наиболее близким к предлагаемому является способ проведения массообмеиных процессов двухфазных систем путем диспергирования одной из фаз в другой - сплошной фазе - и контактирования их в поле центробежных сил, когда жидкости во время их контакта движутся прямоточно (контакт жидкостей осуществляется при прямоточном движении) СЗ. Недостатком известного способа и устройства (экстрактор-сепаратор) для его. осуществления является то, что контакт жидкостей и сепарирование фаз протекает раздельно. Поэтому в каждой конструкцш центробежного экстрактора непрерывного действия с прямоточным движением жидкостей при их смешивании имеются, как минимум, два устройства, одно из которых обеспечивает механическое перемешивание жидкостей, а другое - разделение полученной смеси на исходные фазы. Смешение жидкостей осущест вляется в аппаратах с мешалками, эжекторах, центробежных и вихревых насосах, либо непосредственно в турбулентном потоке. Разделение полученных жидких смесей осуществляется в сверхцентрифугах и тарельчатых сепараторах. К недостаткам известного способа и устройства для его осуществления, кроме указанных выше, относится эффективность процесса массообмена и разделения фаз, невозможность регулирования времени контакта фаз, ибо пребывание частиц в смесительных устройствах подчиняется вероятностно-стохастическим законам с определенным разбросом как по времени пребывания в смесительном устройстве, так и с определенной долей вероятности проскока частиц через смесительное устройство, не всту пивших во взаимодействие с другой фазой. Тонкослойное разделение эмуль сий в межтарельчатых пространствах сепараторов в ламинарном режиме обус ловливает низкую производительность последних. Известно устройство (центробежный аппарат) для осуществления известного cnoco6aj которое содержит кожух с размещенным в нем ротором с насадкой.; вьшолненной в виде коаксиально расположенных перфорированных цилиндров, отверстия которых снабжены соплами и диффузорами, располохенньми на соседних цилиндрах, в чередующейся последовательности, перегородки, устройство ввода и вывода фаз, аппарат снабжен ,переточными патрубками, установленными на цилинд рах с соплами, а перегородки выполнены выпуклой формы и установлены перед каждой парой диффузоров Недостатками известного способа в устройствах (центробежный аппарат для его осуществления являются низкая интенсивность процесса, малая производительность по легкой фазе и невозможность регулирования времени контакта фаз. Указанные недостатки (обусловлены тем, что процесс массообмена интенсивно протекает в момент соударения потоков и на начальном участке диффузора, где имеет место большой градиент относительной скорости фаз и, как результат, наличие больших касательных напряжений на границе раздела легкая фаза - тяжелая, обуславливающих турбулентные пульсации в движущихся в прямотоке фазах. По мере движения по диффузору скорости движения фаз вьфавниваются, юс относительная скорость движения стремится к нулю, исчезают касательные напряжения на границе раздела фаз и, следовательно, интенсивность процесса масссообмена падает. Производительность аппарата по легкой фазе определяется коэффициентом инжекции в паре сопло-диффузор, время же пребывания фаз в контактной зоне всецело определяется балансом сил, действукяцих на фазы и регулированию не поддается. Цель изобретения - интенсификация процесса, увеличение производительности, возможность регулирования времени контактов фаз. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу проведения массо-(тепло)рбменных, химических и микробиологических процессов в двухфазных системах путем диспергирования одной из фаз в другой при прямоточном контактировании в поле центробежных сил, при диспергировании тяжелой фазы ее подают на периферию . центробежного поля, а при диспергировании легкой фазы ее подают в центр.центробежного поля при этом расход сплошной фазы Q определяют из соотношения w-} Apto R-d Qp()5 рд - расход дисперсной фазы, - удерживающая способность (УС) по дисперсной фазе, мз/м; S - проходное сечение контактной зоны аппарата движению фаз, м 5 плотность сплошной фазы, др - разность плотностей фаз, л) - кинематическая вязкость, -мёжфазное натяжение, Н/м; -диаметр капель (частиц), м; -угловая скорость вращения ротора, t/c: . Re - критерий Рейнольдса;Ке 2 Ч - коэффициент гидродинамичес кого сопротивления капли (частицы); R ,- расстояние от оси вращения до рассматриваемой точки контактной зоны аппарата,м для капель при Re 1; dVR fAf |0.1 Vro.i tfc частиц при 1 «: Re 2500; относительная скорость движения фаз (скорость скольжения фаз), м/с, опре деляемая из соотношения противотока прямотока . с G W Us ( Знак перед скобками в выражении (5) берется с учетом направления ве тора относительной скорости и вектора направления капли (частицы). Нижние индексы: с - сплошная фаза; d -.дисперсная фаза; t - индекс, указывающий местоположения рассматриваемой точки контактной зоны относительно оси ротора. Цель изобретения обеспечивается также тем, что в центробежном аппар те для осуществления способа проведения маесо-(тепло)обменных, хими ческих и микробиологических процессов, включающем корпус, вращакяцийся ротор-с насадкой, выполНенньй в ви де коаксиально расположенных перфорированных цилиндров, отверстия которых снабжены соплами и диффузо рами, расположенными на соседних ц линдрах радиально, устройства ввод и вывода фаз, сопла и Диффузоры установлены на цилиндрахj размещен ных на периферии ротора и направлены в сторону оси ротора. Кроме того, в центробежном аппа рате для осуществления способа соп ц диффузоры установлены на цилиндpax, размещенных в центре ротора и обращены к периферии ротора. На фиг. 1 изображен вариант общего вида центробежного аппарата в разрезе, для случая, когда сечение диффузора изменяется в горизонтальной и постоянно в вертикальной плоскости, сопла и диффузоры установлены на цилиндрах, размещенньгх на периферии ротора; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вариант общего вида центробежного аппарата в разрезе для случая, когда сечение диффузора изменяется в вертикальной и постоянно в горизонтальной плоскости, а сопла и диффузоры установлены на цилиндрах, размещенных на периферии ротора; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - вариант общего вида центробежного аппарата в разрезе для случая, когда сечение диффузора изменяется в вертикальной и постоянно в горизонтальной плоскости, а сопла и диффузоры установлены на цилиндрах, размещенных в центре ротора; на фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 5. Центробежный аппарат содержит кожух Т, ротор 2, коаксиальные цилиндры 3 и 4, сопла 5, диффузоры 6, пакет конических тарелок 7, камеры 8 и 9 с помещенными в них напорными дисками 10 и 11, камеры 12-15, радиальные каналы 16 и 17, патрубки ввода 18 и 19 и вывода 20 и 21 фаз. Центробежный аппарат работает следующим образом. Сплошная фаза и дисперсная фаза по патрубкам подводу 18 и 19 и каналам ,16 и 17 поступают в камеры 15 и 14 соответственно. Далее сплошная фаза за счет центробежного давления и давления в линии подичи сплошной фазы в аппарат через сопла 5 выбрасывается в контактную зону аппарата - диффузоры 6, инжектируя дисперсную фазу. Образовавшаяся эмульсия, пройдя зону контакта при движении с периферии к центру аппарата, через отверстия 22 поступает на разделение в пакет конических тарелок 7, в межтарельчатых пространствах которых под действием центробежных и архимедовых сил вытеснения фазы сепарируются. Отсепарированная легкая фаза собирается в камере IZn через от- верстия перетекает в камеру 8, отку да с помощью напорного диска 10 по патрубку 20 выводится из аппарата.

7 1

Отсепарированиая тяжелая фаза собирается в камере 13/откуда перетекает в камеру 9 и с помощью напорного диска 11 по патрубку 21 выводится из аппарата.

Отличительная особенность работы аппаратов, изображенных на фиг. 1 и 3 от изображенного на фиг. 5, состоит п направлении движения эмульсии в контактной зоне аппарата, соответственно с периферии к центру и наоборот, в соответствии с балансом сил: силы гидродинамического сопротивления и центробежной силой (для первого случая) и аналогом архимеовой силы вытеснения в центробежном поле - во втором. . .

Преимущества способа и центробежного аппарата дпя его.осуществления иллюстрируются следующими положениями.

Увеличение производительности.

В основу предлагаемого способа и центробежного аппарата для его осуВ1 ествления положен принцип прямоточного движения фаз: с периферии к ценцентру ротора - при диспергировании тяжелой фазы и от центра к периферии ротора - при диспергировании легкой фазы, т.е. в обоих случаях движение прртивоестественнь для центробежного поля и оно возможно лишь только тогда, когда сила: гидродинамического сопротивления (скоростной напор) сплошной среды превьппает величину центробежной силы,действующей на капли (частицы) в первом случае, и архимедову силу вытеснения - во втором. На создание требуемого скоростного напора для преодоления вышеуказанных сил требуется значительный расход сплощной фазы (как правило, на порядок превышакиций расход сплошной фазы в аналогичных условиях дпя противоточных аппаратов) и, следовательно, увеличение производительности. Если для противоточных аппаратов существует верхний предел по нагрузкам - режим захлебывания аппарата, сопровождаемый инверсией фаз, то при предлагаемом способе диапазон работы центробежного аппарата простирается от состояния псевдоожижения, когда неравенство (1) преобразуется в равенство, до бесконечности (по практическим соображениям до состояния, когда W О, ибо в этом случае резко падает интенсив8

ность процесса массообмена, химических и микробиологических процессов). Интенсификация процесса. Значительный расход сплошной фазы 5 обусловливает существование развитого турбулентного режима движения сплошной среды. Если в аппаратах с противоточным движением фаз сплошная фаза дэижется, как правило, в

P ламинарном режиме движения, которому свойственен молекулярный, (диффузионный) перенос вещества в фазах, и, следовательно, низкая интенсивность процесса массообмена, то при

5 предлагаемом способе сплошная движется при развитом турбулентном режиме, сопровождаемом интенсивным конвентивным переносом, следовательно, значительно интенсифицируется про0 цесс массопереноса в фазах. Интенсивный турбулентный режим движения сплошной фазы способствует интенсивности циркуляции жидкости внутри капель дисперсной фазы, деформации

5 и дроблению последних, т.е. обновлению поверхности и интенсификации процесса массообмена, химических и микробиологических процессов.

Возможность регулирования времени

0 контакта фаз.

Регулирование времени контакта фаз при известных способах .проведения процессов массо-(тепло)обмена либо затруднено (противоточное дви жение фаз в аппаратах центробежного типа), либр слишком проблематично, условно (в перемешивающих устройствах, например, в аппаратах с мешалкой), обусловлено вероятностно-стохас

0 тической природой явления.

При предлагаемом способе представляется возможность регулирования времени контакта фаз.

Время пребывания капель (частиц) в контактной зоне аппарата всецело определяется длиной зоны контакта и скоростью их движения последняя определяется из баланса сил: силы гидродинамического сопротивления

(скоростного напора сплошной среды) и центробежной силы, либо архимедовой силы вытеснения, т.е. время пребывания капель (частиц) в контактной зоне аппарата - время контакта фаз - все5 цело определяется расходом сплошной , Фазы. Следовательно, существует однозначная зависимость времени контакта фаз от расхода сплошной среды. Изменяя расход сплошной фазы, можно пол чить широкий диапазон времени кон/такта фаз (практически от бесконе ности когда неравенство (1) переходит в равенство и наступает режим псевдоожижения, до состояния,когда , то в этом случае и фазы мгновенно покидают зону контакта). Реальньй режим работы аппарата должен определяться при решении компро миссной минимаксной задачи: . т , где К - коэффициент массопереноса; QJ-- суммарная производительност аппарата по фазам; - время контакта фаз. Центробежный аппарат для осущест ления способа, в котором сопла и ди фузоры установлены на цилиндрах, размещенных на периферии ротора (в центре ротора) радиально и обращены в направлении оси ротора (к периферии ротора), позволяет интенсифи ровать процесс, увеличить производи тельность и создает возможность регулирования времени контакта фаз. Интенсификация процесса мабсо-(тепло)обмена химических и микроби логических процессов в предлагаемом аппарате достигается не только на начальном участке зоны контакта, обусловленном эффектом инжекции, но и на всем пути прохождения капель .(частиц) в контактной зоне аппарата, при конвективном массообмене, вызванном высокоразвитым турбулентным режимом движения сплошной фазы. Высокая производительность аппар та обусловлена предлагаемым способом, самой природой прямоточного движения фаз, существование которог возможно лишь только в случае превы шения гидродинамической силы сопротивления (скоростного напора сплошНО& фазы) над центробежной силой (либо аналогом архимедовой силы вытеснения в центробежном поле), деис вукщей на капли (частицы) в центробежном поле. Выполнение зоны контакта в форме диффузоров исключает возможность еб разования мертвых зон в контакт ной зоне аппарата, в которых исключается контакт фаз, позволяет сбала сировать изменение центробежной сил (либо аналога архимедовой силы вытеснения) по радиусу аппарата, действующей на капли, изменением величины .силы гидродинамического сопротивления сплошной среды (скоростного напора сплошной среды) по радиусу аппарата за счет изменения проходного сечения зоны контакта таким образом, чтобы режим движения капель (частиц), а следовательно, и их скорость оставались неизменными. Во сколько .раз изменяется величина центробежной силы (либо аналога архимедовой силы вытеснения в центробежном поле) по радиусу аппарата, действующей на капли (частицы), во столько раз должна изменяться по радиусу аппарата величина.силы гидродинамического сопротивления сплошной среды движению Капли, последняя же определяется проходным сечением зоны контакта. Проверка предлагаемого способа и аппарата для его осуществления пооводнпась на лабораторной модели аппарата диаметром 400 мм с длиной зоны контакта по радиусу 110 мм при проведении процесса экстракции на системе керосин-фенол-вода (извлечение фенола из керосина водой) при числе оборотов ротора 1500 об/мин, и объемном соотношении фаз (1/3. Исследования показали, что интенсивность процесса возросла на 40-60% при расходах фаз, на порядок превышающих расходы при аналогичных режимах при противоточном движении фаз. Предельную производительность аппарата при предлагаемом способе выявить не удалось из-за ограниченных возможностей экспериментальной установки. Визуальные наблюдения в страбоскопическом освещении за движением фаз в контактной зоне аппарата (мо.дель аппарата изготовлена из оргстекла) показали, что скорость движения капель в контактной зоне аппарата, а следовательно, и время пребывания . их в зоне контакта находятся в прямой зависимости от расхода сплошной фазы. Возможность регулирования режима движения фаз в аппаратах и время контакта фаз открывает широкую перспективу для интенсификации технологических процессов и полной автоматизации процессов при проведении последних согласно предлагаемого способа и аппарата для еГо осуществления. Предлагаемый способ для проведения массо-(тепло)обменных процессов и

аппарат для его осуществления, по сравнению с известными, применяемыми в промьшишнности способами с прямоточным и противоточным движением контактируемых фаз и аппаратами для их осуществления (трубчатые центрифуги СГТ-100, СГС-150, экстрактор с / I Uволнообразной насадкой), принятыми за базовый образец, позволяет интенсифицировать процесс массообмена на 40-60%, увеличить производительность аппарата на порядок и создает возможность регулирования времени контакта фаз.

Фигг к к, Юч :л.,|| 1 I I 1м I t I )хг Фиг. 1

6-6

Фиг.