Пульсационный реактор Советский патент 1992 года по МПК B01J10/00 

Изобретение относится к устройствам для интенсификации массо- и теплообмен- ных процессов, протекающих в жидких средах, особенно в вязких жидкостях, быстрорасслаивающихся пульпах и эмульсиях, и может быть использовано в химической, пищевой, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким к предложенному по достигаемому эффекту является пульсаци- онный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус и расположенные внутри него пульсационную камеру и соединенную с ней распределительную камеру, пульсопровод и технологические патрубки. Распределительная камера выполнена в виде стакана с клапанным лепестковым устройством и центральным отверстием в

днище, над которым размещена пульсаци- онная камера с закрепленным в нижней части упругим сильфонным элементом, торцовая поверхность которого имеет фирму конуса с осевым отверстием, при этом клапанное лепестковое устройство расположено в верхней части реактора с перекрытием кольцевой зоны, а в нижней части корпуса установлено кольцо с отбортовкой вниз.

При работе известного устройств корпус заполняется реагентом доопределенного уровня, и с помощью пульсатора возбуждаются возвратно-поступательные колебания реакционной массы в пульсаци- онной камере. При этом сильфонный элемент в нижней части пульсационной камере при повышении в ней давления растягива чСО

со

о

-ч

ется и перекрывает кольцевой зазор между торцом сильфона и днищем распределительной камеры, а реакционная масса из пуяьсационной камеры истекает в кольцевое пространство между корпусом и распределительной камерой и далее через клапанное лепестковое устройство - в верхнюю часть реактора. При последующем сбросе давления из пульсационной камеры упругий сильфонный элемент занимает исходное положение, открывая нижний кольцевой зазор, а клапанное лепестковое устройство под действием гидростатического давления реакционной смеси закрывается, и реакционная смесь из центральной части реактора через кольцевой зазор и отверстие в торце сильфонного элемента самотеком поступает в пульсационную камеру,

В данном реакторе создание пульсаци- онного движения реакционной смеси связано с прокачиванием ее по замкнутому циркуляционному тракту, обладающему большим гидравлическим сопротивлением, при этом также используется гидростатическое давление столба жидкости. Это ограничивает рабочую частоту пульсаций реактора до величины не более нескольких герц, поскольку при повышении частоты снижается интенсивность циркуляционного движения реакционной смеси вследствие резкого повышения сопротивления циркуляционного тракта и увеличения влияния инерционности жидкости. Кроме того, повышение частоты пульсаций приведет к выбросу воздуха из кольцевой полости в нижней части реактора.

Низкая частота пульсаций реактора и большое гидросопротивление его циркуляционного тракта не позволяют интенсифицировать процесс массообмена между компонентами реакционной смеси, что необходимо для повышения качества конечного продукта. Большое гидросопротивление реактора обуславливается также повышенные энергозатраты при его работе.

Кроме того, наличие внутри корпуса распределительной камеры с кольцевым клапанным лепестковым устройством и центральным отверстием в днище, а также сильфонного элемента я нижней части пульсационной камеры, торцовая часть которого периодически взаимодействует с днищем распределительной камеры, усложняет конструкцию известного устройства и снижает надежность его работы.

Цель изобретения - интенсификация процесса за счет создания свободных объемных пульсаций и упрощение конструкции пульсационного реактора.

Поставленная цель достигается за счет того, что пульсационный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, расположенную внутри него пульсационную камеру с пульсопроводом и технологические патрубки, снабжен упругим газонаполненным элементом, расположенным между торцом пульсационной камеры и днищем корпуса, при этом газонаполнен0 ный элемент выполнен в виде тора, установленного по центру корпуса с возможностью свободных объемных пульсаций.

На фиг. 1 приведен реактор, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

5 Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с патрубками 2 и 3 ввода реагентов и патрубков 4 отвода продуктов реакции. Внутри корпуса 1 размещена пуль- сационная камера 5, выполненная в виде

0 цилиндрического стакана с открытым нижним торцом, верхняя часть которой с помощью пульсопровода 6 присоединена к пульсатору. Между торцом пульсационной камеры 5 и днищем 7 корпуса реактора раз5 мещен упругий газонаполненный элемент 8. выполненный в виде заполненной газом герметичной торообразной оболочки из эластичного упругого материала, например, резиновой пленки. Горообразный элемент 8

0 установлен с зазором между верхними 9 и нижними 10 радиальными ребрами, закрепленными на вертикальных стойках 11, проходящих с зазором через центральное отверстие торообразного элемента 8, Это

5 позволяет газонаполненному торообразно- му элементу свободно расширять или сжиматься при изменении давления окружающей его среды. Вертикальные стойки 11 закреплены на днище 7 корпуса реактора. В

0 верхней части корпуса 1, в его газовой полости, установлен датчик 12 величины гидродинамического давления, подключенный к. системе контроля 13.

Работает реактор следующим образом.

5 Через патрубки 2 и 3 реактор заполняется реагентами до уровня, составляющего 0,8-0,9 высоты корпуса 1 (в зависимости от плотности реакционной массы). Затем включается пульсатор, возбуждающий че0 рез пульсопровод 6 пульсации давления жидкости в пульсационной камере 5, которые через открытый Нижний торец ee iepe- даются жидкости внутри цилиндрического корпуса 1 реактора. Эти пульсации давле5 ния жидкости через эластичную оболочку торообразного элемента 8 передается заключенному в ней газу, возбуждая его объемные пульсации, которые, в свою очередь, передаются жидкости. Динамическое взаимодействие жидкости (реакционной смеси)

и находящегося в ней газа приводит к образованию внутри корпуса 1 нелинейной колебательной системы жидкость - газ, в которой газ играет роль упругого элемента, а находящийся над ним столб жидкости - инерционного элемента системы. Собственная частота колебаний этой системы fc зависит от количества газа в жидкости, глубины его размещения, физических свойств жидкости, и обычно находится в пределах 25-60 Гц.

Подстройкой частоты пульсатора устанавливают частоту внешнего вибровоздействия, равной собственной частоте fc, и внутри корпуса реактора возбуждаются резонансные колебания системы жидкость - газ. При этом резко увеличивается турбули- зация жидкости, динамическое давление в которой возрастает в 4-5 раз, и увеличивается амплитуда объемных пульсаций газонаполненного элемента. Момент воз-- буждения резонансного режима фиксируется с помощью системы контроля 13 по изменению показаний датчика величины гидродинамического давления 12. Резкое увеличение турбулизации свободной поверхности жидкости вызывает захват ею газа из верхней части корпуса, который в условиях высокого гидродинамического давления диспергируется на множество мелких пузырьков, насыщающих объем жидкости. Реакционная смесь превращается в гидрозоль, заполняющий весь объем реактора, и приобретает свойство сжимаемости, что дополнительно увеличивает интенсивность ее турбулентных пульсаций, застойные зоны внутри реактора отсутствуют. При этом частота пульсаций реакционной смеси в предложенном реакторе в десятки раз превышает частоту пульсаций в известном реакторе.

Установка газонаполненного торооб- разного элемента 8 с зазором на стойках 11 между радиальными ребрами 9 и 10 обеспечивает ему возможность свободных объемных пульсаций в условиях резонансных колебаний системы и не создает сопротивления турбулентным пульсациям реакционной смеси. При этом верхние ребра удерживают газонаполненный тор на заданном уровне в жидкости, а нижние не позволяют ему опуститься на днище корпуса в конце слива жидкости, что затруднило бы слив.

Наличие в пульсирующей жидкой среде активных газовых пузырьков, насыщающих весь объем жидкости, способствует повышению интенсивности массообмена между реагентами получаемой смеси.

Кроме того, резкое увеличение амплитуды волн динамического давления в жидкости при резонансе приводит к тому, что в отрицательные полупериоды пульсаций

5 давления разрежение в жидкости подает ниже значения упругости ее паров. Это вызывает образование в объеме жидкости большого количества кавитационных пузырьков, которые, схлопываясь, дополни10 тельно турбулизируют реакционную смесь, обеспечивая перемешивание компонентов на молекулярном уровне.

Тйким образом, в режиме резонанса в

16 реакторе устанавливается режим интенсивных высокочастотных турбулентных пульсаций реакционной смеси, находящейся в состоянии гидрозоля, при наличии кавитационных процессов, что обеспечивает высо0 кую интенсивность массообмена между реагентами по всему объему реактора. Это позволяет улучшить качество получаемого продукта, а также сократить время процесса.

5 Предложенное техническое решение позволяет значительно упростить конструкцию пульсационного реактора, отсутствие подвижных частей и клапанного устройства повышает надежность его работы. Кроме

0 того, предложенная конструкция обеспечивает минимальное гидросопротивление внутреннего тракта реактора, что позволяет снизить энергозатраты при его работе.

5

Уровень заполнения реактора жидкостью составляет 80-90% от его объема (при этом газовая подушка соответственно равна 20-10%), причем с увеличением плот0 ности реакционной смеси уровень заполнения увеличивается. Плотность реакционной смеси зависит от плотности и объемного соотношения исходных компонентов. В зависимости от плотности смеси и уровня за5 полнения реактора изменяется значение собственной частоты колебаний системы жидкость - газ, являющийся резонансной. Наличие датчика 12 величины гидродинамического давления, установленного в газовой

0 полости реактора и подключенного к блоку системы контроля 13, позволяет установить в каждом конкретном случае резонансную частоту системы по пиковому увеличению гидродинамического давления: в режиме

5 резонанса эта полость заполняется турбулентной жидкостью, точнее, гидрозолем, и давление в ней возрастает более чем 8 30 раз. В нижней же (жидкостной) части реактора гидродинамическое давление возрастает в 4 раза.

При экспериментальной отработке предложенного устройства измерение величины гидродинамического давления внутри реактора осуществлялось с помощью акустического датчика-преобразователя давления ЛХ-610, имеющего чувствительность 5,4 мкВ/Н/м2. Датчик подключался к микровольтметру В3-57. Давление замерялось в нижней части реактора (у днища) и в верхней его части (е газовой полости, у крышки корпуса).

При отсутствии резонанса максимальное гидродинамическое давление у днища реактора составляло по показанию датчика 2x10 мкВ, а в газовой полости 2x104 мхВ или соответственно 3,7x10 Н/м2 и 3,7x10 Н/м при средней плотности реакционной смеси 1 г/см .

В режиме резонанса гидродинамическое давление в реакторе резко повышалось и составляло (8-9)х10 мкВ у днища и (6.5- 7)х10 мкВ у крышки реактора или соответственно 1.48-1.66x10 Н/м2 и 1,2- 1,Зх106Н/м2.

В случае более высокой плотности реакционной смеси гидродинамическое даеление в реакторе (величина его пиковых значений в положительные полупериоды пульсаций давления) при резонансе увеличивается и может достигать 2-2,5 эти. Формула изобретения

Пульсациднный реактор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, расположенную внутри него пульсационную камеру с пульсопроводом и технологические патрубки, отличающийся тем, что,

с целью интенсификации процесса за счет создания свободных объемных пульсаций и упрощения конструкции, он снабжен упругим газонаполненным элементом, расположенным между торцом пульсационной

камеры и днищем корпуса, при этом газона- полненный элемент выполнен в виде тора, установленного по центру корпуса.

-Изобретение относится к устройствам для интенсификации массо- и теплообмен- ных процессах. Реактор позволяет улучшить качество продукта за счет интенсификации тепло- и массообменных процессов, протекающих в жидких средах при вибровоздействии. Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус и размещенную внутри него пульсационную камеру, подключенную к внешнему пульсатору и выполненную в виде цилиндрического стакана с открытым нижним торцом. В нижней части реактора между его днищем и торцом стакана помещен упругий газонаполненный элемент, установленный с возможностью свободных объемных пульсаций, а в верхней (газовой) части корпуса установлен датчик величины гидродинамического давления, подключенный к системе контроля. Процесс ведут в резонансном режиме колебаний системы жидкость - газ, обеспечивающем высокое значение гидродинамического давления внутри реактора, величина которого фиксируется по показаниям датчика с помощью системы контроля. 2 ил. (Л С

Г 7

фие.1

Л -Л

Фиг. 2