Резонансный аппарат для обработки суспензий

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4948342/26 (22) 010491 (46) 15.1293 Бюл. Йя 45-46 (71) Ленинградский технологический еютитут имЛенсовета (72) Островский Г.М„. Абиев P.Ø„Àêñåíîâà ЕГ. Лосик 8.И„. Бабичева БЛ. (73) Сана-Петербургский технологический институт (54) РЕЗОНАНСНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СУСПЕНЗИЙ (57) Аппарат состоит из сообщакхцихся в нижней части резонансных и пульсационных камер, раздеОу> КЦ рц 2094317С1 (51) В 91 F 11 ленных на секции. За счет генератора колебаний возникают резонансные колебания жидкости и ее переток из одной секции в другую. В веруней части секции снабжены эксцентриковыми узлами, эксцентриситеты которых каждой последующей секции смещены относительно предыдущей на угол, равный 2П/и, где n — количество секций. Такое расположение эксцентриков позволяет за счет поддержания одинакового давления газа во всех секциях устранить сложные системы автоматического управления и настройки на резонанс каждой отдельной секции. 4 ип

2004337

Изобретение относится к устройствам для проведения процессов в системах жидкость — твердое и может быть использовано в химической, химико-фармацевтической, биотехнологической, нефтехимической и .других отраслях промышленности для перемешивания, растворения, выщелачивания и экстракции, тельных воздействиях на перфорированные диски и динамическими нагрузками на корпус аппарата и фундамент из-за неуравновешенности колеблющихся масс, Известен также пульсационный резонансный аппарат (прототип), содержащий пульсационную и резонансную камеры, сообщающиеся между собой в нижней части, При наличии упругого элемента (газовой подушки) в резонансной камере и сое40

45 динении верхней части пульсационной камеры с генератором колебаний создаются условия для организации резонансных колебательных воздействий, что позволяет снизить энергозатраты и обеспечить возвратно-поступательное движение твердой фазы в донной части. Однако отсутствие направленной циркуляции жидкости в объеме аппарата и протока жидкости через твердые частицы, несмотря на высокую локальную турбулентность, не создает усло50

55 вий для обмена жидкостными слоями между зонами и выравнивания концентрации целевого компонента в нем. что сниИзвестен аппарат для обработки суспензий с механическим перемешивающим уст >ойством, установленном на вертикальном валу, При вращении перемешивающего устройства создаются направленные циркуляционные токи жидкости, увлекающие с собой и твердые частицы, Однако мощное динамическое воздействие испытывает лишь та часть циркуляционных потоков.ко-. торая находится в непосредственной близо-г сти от перемешивающего устройства.

Неравномерность воздействия на твердую фазу приводит к дисперсии времени пребывания твердых частиц в различных зонах аппарата и дисперсии времени их обработки, что снижает их эффективность и повыша- 25 ет энергозатраты.

Известен также аппарат для обработки суспензий с колебательным воздействием на перфорированные диски, установленные в смесительной камере и создающие направ- З0 ленное восходящее движение жидкости в ней, Циркуляционным потоком жидкости увлекаются и твердые частицы, чем обеспечиваетса перемешивание суспензий. Однако работа таких устройств сопровождается по- 5 вышенными энергозатратами при колебажает его эффективность. Выполнение аппарата односекционным, содержащим одну пульсационную и одну резонансную камеры, не позволяет уравновесить динамические нагрузки на фундамент, что свидетельствует о невысокой надежности работы аппарата.

Цель|о изобретения является повышение эффективности и надежности работы аппарата.

Поставленная цель достигается тем, что резонансный аппарат для обработки суспенэий содержит сообщающиеся в нижней части резонансную и пульсационную камеры, эксцентриковые узлы для связи с генератором колебаний, технологические штуцеры для подвода исходных компонентов и вывода готового продукта. Согласно изобретению в резонансной и пульсационной камерах установлены разделительные элементы с образованием ячеек и четного количества секций, причем резонансные ячейки предыдущей секции соединены с пульсационными ячейками последующей секции каналами, имеющими направляющие элементы (которые могут быть размещены на одностороннем их конце и, если каналы размещены попарно, то на противоположных их концах), а в верхней части пульсационные и резонансные ячейки всех секций в верхней части сообщены между собой при смещении эксцентриситетов эксцентриковых узлов каждой последующей секции относительно предыдущей на уг0л, равный 2 z/n, где n — количество секций.

Признак I — в резонансной и пульсационной камерах установлены разделительные элементы с образованием ячеек и четного количества секций, является новым и неизвестным издругихтехнических решений. Признак

И вЂ” резонансные ячейки предыдущей секции соединены с пульсационными ячейками последующей секции каналами, также является новым и неизвестным из других технический решений.

Признак I выполняет известную функцию, заключающуюся в устранении поперечных волн и уменьшении массы колеблющейся жидкости, однако совместно с признаками И-IV позволяет получить положительный эффект, указанный в цели изобретения, — повышение эффективности и надежности работы аппарата.

Повышение надежности обеспечивается секционированием резонансной и пульсационной камер с четким количеством секций, при котором происходит динамическое уравновешивание колеблющихся в секциях масс жидкостной среды и снятие динамической нагрузки на фундамент за

50 ря чему повышается эффективность работы аппарата.

Признак III — пульсационные и резонансные ячейки всех секций в верхней части сообщены между собой — является новым и

55 с ет уравновешивания опрокидывающих моментов в парных секциях.

Повышение эффективности достигается сочетанием секционирования резонансной и пульсационной камер и организацией перетока жидкостной среды из секции в секцию по каналам, направленное движение которому задается направляющими элементами; установленными: а — на одностороннем конце этих каналов, чем создаются условия для организации работы аппарата по принципу вытеснительного типа. В результате происходит выравнивание концентрации реагентов в объеме всего аппарата. При размещении каналов в верхней части ячеек осуществляется переток преимущественно одной жидкости, в нижней части = жидкости вместе с твердыми частицами. Следует отметить, что при колебательных воздействиях направленное движение жидкости создается с помощью направляющих элементов, пропускающих жидкость в одну половину периода и препятствующих ее перемещению в обратном направлении в другую половину периода; б — каналы размещены попарно и снабжены направляющими элементами на противоположных их концах. (Направляющие элементы могут быть выполнены в виде обратных, лепестковых и других подобных клапанов, клапанов с зернистым слоем или элементов с нелинейным гидравлическим сопротивлением).

При попарном размещении каналов с установленными в них на противоположных концах направляющими элементами создается противоточное движение жидкости по каналам, поскольку в один полупериод происходит переток жидкости по одному из каналов в одном направлении, во втором полупериоде — переток в обратном направлении по другому каналу. В этом случае реализуется противоточная схема работы аппарата относительно твердой и жидкой фаэ, Схемы направлений .потоков могут быть разными, няпример, по нижним кана-. лам перемещается жидкость с твердой фазы из первой секции в последующие, а по верхним каналам — жидкость из последней секции в предыдущие (или в обратном порядке). То есть, в этом случае реализуется схема работы аппарата по принципу идеального смешения по жидкой фазе, благоданеизвестным из других технических решений.

При сообщении газовых полостей, находящихся в верхней части пульсационных и резонансных ячеек, происходит выравнивание давления газа, что создает условия для одновременной настройки всех секций на резонанс, благодаря чему повышается эффективность и надежность работы аппарата, Признак IV — эксцентриситеты эксцентриковых узлов каждой последующей секции смещены относительно предыдущей на угол, равный 2 zt/n, где n — количество секций, является новым и неизвестным из других технических решений, При относительйом сдвиге фаз между секциями на

2 >т/и происходит сложение неуравновешенных центробежных сил, возникающих в данной части каждой секции, таким образом, что происходит уменьшение суммарной динамической нагрузки, приводящее к снижению коэффициента динамичности (фиг. 4), Кд = д/Fcp где Ед-суммарная динамическая нагрузка, Н;

Fcp — средняя суммарная статическая нагрузка, Н;

Fua> — центробе>кная сила, возникающая в первой и третьей секциях, Н;

Рцр — центробежная сила, возникающая во второй и четвертой секциях при сдвиге эксцентриковых кулачков на угол л/2 отйосительно 1 и 3 секций (для и = 4), Н.

При наличии и секций и сдвиге эксцентриситетов эксцентриковых узлов в каждой последующей секции относительно предыдущей на угол 2 тг/и произойдет снижение суммарной динамической нагрузки на корпус аппарата и коэффициента динамичности, благодаря чему повысится надежность работы аппарата, Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены схемы аппаратов в виде секций из U-образных ячеек (см, фиг. 1) и секций, скомпонованных из однотипных элементов, помещенных в емкость (см. фиг.

2), с одинарными каналами, и секций с парными каналами (см. фиг, 3), Пульсационный резонансный аппарат для обработки суспензий (фиг. 1) содержит секции из U-образных элементов 1. имеющих пульсационные 2 и резонансные 3 ячейки, каналы 4, соединяющие .резонансные ячейки предыдущей секцИи с пульсационными ячейками последующей секции. Каналы 4 снабжены обратными клапанами 5 на

2004317

30

50

55 зом. одностороннем их конце, пропускающими кидкость в одном направлении. Пульсационные и резонансные ячейки имеют газовые подушки 6, Пульсационные ячейки в верхней части подсоединены к генератору 13 ,колебаний через сильфоны 7 (мембраны, поршни) и зксцентриковые втулки 8 и эксцентриковый вал 9 для передачи колебательных воздействий на жидкость, смещенные в каждой последующей секции на угол 2 R /и,, Аппарат снабжен технологическими штуцерами 10 и 11 для ввода исходных компонентов и 12-для вывода готового продукта.

Пульсационный резонансный аппарат для обработки суспензий (фиг. 2) выполнен из секций в виде однотипных элемвнтов, образующих пульсационные 2 и. резонанст ные 3 ячейки, помещенные в емкость 1. Резонансные ячейки прпедыдущей секции соединены с пульсационными ячейками последующей секции парными каналами 4 с обратными клапанами, обеспечивающими противоточное движение жидкости в каналах.

Газовые полости пульсационных камер

2 через поршни 5 (сильфоны, мембраны) и штоки 6 подсоединены к генератору колебаний 7. Аппарат снабжен технологическими штуцерами 8 и 9 для загрузки исходных компонентов и 10 — для выгрузки готового продукта, Пульсационный резонансный аппарат для обработки суспензий (фиг. 3) содержит секции из U-образных элементов 1, имеющих пульсацианные 2 и резонансные 3 ячейки, соединенные парными каланами 4 и 5 так, что каждая резонансная ячейка предыдущЕй секции сообщается с пульсационной ячейкой последующей секции. Каналы 4 и 5 сиабжены на противоположных концах обратными клапанами 6 и 7, Пульсационные и резонансные камеры имеют в верхней части газовые полости 8 и 9, соответственно полости 8 пульсационных камер подсоединены к генератору колебаний через сильфоны 10 (мембраны, поршни) и эксцентриковые кулачки 12, Аппарат снабжен технологическими штуцерами 14 и 15 для загрузки исходных компонентов и 16 для вывода готового продукта.

Газовые полости 8 и 9 сообщены между собой через газопровод 17, перекрываемый регулятором 18 и соединенным с нагнетательной линией компрессора (на схеме не показан).

Аппараты работают следующим обраПосле заполнения аппаратов исходными компонентами через технологические штуцеры, их герметизации, устанавливают необходимую частоту резонансных колебаний. При резонансных колебательных воздействиях на жидкость под действием возникающего динамического напора происходит переток жидкости иэ одной секции в другую: по каналам 4 (фиг. 1 — 3).иэ начальной секции в последующие вместе с твердыми частицами в один полупериод и из последней секции в начальну.о по каналам

5 в другой полупериод (фиг. 2 и 3). Готовый продукт выводится через техиологические штуцер ы.

Частота резонансных колебаний регулируется изменением давления газа в газовых полостях — нагнетаииам газа в систему или его сбросом через регулятор 18 (фиг, 3).

Благодаря органиэации перетока жидкости из секции в секцию происходит выравнивание концентрации целевого компонента, в аппарате ликвидируются застойные зоны, организуется работа аппарата в непрерывном режиме, что в значительной степени повышает его эффективность.

Секционироваиием резонансных и пульсационных камер достигается рассредоточение колеблющейся массы жидкости и снижение динамической нагрузки на фундамент, чему еще в большей степени способствует смещение эксцентриковых кулачков соседних секций. Повышение наде>кности работы аппарата обеспечивается не только этими факторами, но и устойчивой работой аппаоата в резонансном режиме при сообщении между собой в верхней части резоHBHGHblx u пульсационных ячеек BGGx секций, поскольку подсоединение к газопроводу всех ячеек позволяет легко выводить систему на резонансный режим колебаний жидкости в трубах за счет регулирования коэффициента жесткости сжатого газа в резонансных камерах путем изменения его давления.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Аппарат по фиг. 1 выполнен из четырех U-образных труб диаметром

0,038 м и высотой 1,5 м, в которых резонансная камера каждой предыдущей секции соединена с,пульса цион ной камерой последующей секции двумя переточными каналами диаметром 0,02 м, размещенными на расстоянии 1 м друг от друга и 0,3 м от низа колена. На переточиых каналах со стороны пульсационных камер установлены обратные клапаны. Растворение в воде поваренной соли с концентрацией 0 2 ь по массе при f = 5 Гц, А ==- 0,008 r сопровождается скоростью процесса Am/т== 1,5 10

2004317

10 колонном пульсационном аппарате скорость растворения составляет,8 10 кг/с (см.

Карпачева С.M.. Рябчиков Б.Е. Пульсационная аппаратура в хим.технол. M.; Химия, 5

1983. с. 147).

Пример 2. Аппарат по фиг. 3, выполненный ий тех жа труб, соединенных гарны10

40

50 да исходных компонентов и вывода 55 готового продукта, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности в работе, он снаб>кен дополнительными резонансными И пульсационными камерами с образованикг/с. При этих же параметрах процесса в ми каналами, что и в примере 1, имеет обратные клапаны на противоположных концах переточных каналов, Верхние концы резонансных и пульсационных ячеек всех секций через отводы диаметром 0,005 и подсоединены к газопроводу. диаметром

0,02 м. Эксцентриковые кулачки, соединяющие мембраны пульсационных камер с валом электродвигателя, смещены в каждой последующей секц 1и па г/2 относительно предыдущей, При проведении процесса растворения ниобил в плавиковой кислоте (система жидкость — твердое) время обмена жидкости в аппарате составляет 20 с при

f = 4 Гц, А = 0,008 и, причем обеспечивается взвешивание частиц ниобия и равномерное распределение по обьему аппарата.

Поскольку в чатырехсекционном аппарате со сдвигом по фазе на л /2 эксцентриковых кулачков между секциями, опрокидывающие моменты будут уравновешиваться в сскциях 1 и 3, а также в секциях

2 и 4 соответственно (фиг. 4), а центробежные силы -" суммирîBàòücÿ, то

Дб — 4 Рцю /2 — 1) 2

2Рср 2 8_#_

Колебания динамической нагрузки составляет 15% от среденей суммарной статической.

В обьемном пульсационном аппарате с пульсационным перемешивающим устройсТВоМ время обмена составляет 1 мин при плотности твердой фазы не более 6 т/м (там же, с. 35, 785), За счет возможности установления одинакового давления газа в резонансных и пульсационных ячейках всех секций устраФ о р м у л а и з о.б р е т.е н и я

РЕЗОНАНСНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СУСПЕНЗИЙ, содержащий сообщающиеся в нижней части резонансную и . пульсационную камеры, генератор колебаний, технологические штуцеры для подво15

30 няются сложные системы автоматического управления и настройки на резонанс каждой отдельной секции.

Пример 3. Аппарат по фиг. 2 выголнен из емкости вместимостью 0,2 м размером 0,2 х1 х1 м. Внутри емкости размещенй восемь труб диаметром 0,1 м и высотой; .

1,2 м, скомпонованных попарно так, что одна из них подсоединена к генератору колебаний и является пульсационной ячейкой, а вторая имеет верхний закрытый конец и слу- жит резонансной ячейкой, и отстоящйх от дна емкости на расстоянии 0,1 и. Эксцентриковае кулачки каждой предыдущей секции смещены относительно последующей секции на 2 л/п.

Резонансные камеры предыдущих секций соединены с пульсационными камерами последующих секций через парные проточные каналы диаметром 0,05 м, имеющие установленные на них обратные клапаны на противоположных концах взвешивание частиц ниобия.

В аппарате обеспечивается взвешивание частиц ниобия при частоте f - 5 Гц и амплитуде колебаний А = 0,008 м. При этом коэффициент динамичности Ко составляет

0,013, т,е. не превышает 1,5 .

Таким образом, предлагаемое решение позволяет повысить в два раза эффективность работы аппарата эа счет секционирования и организации перетока жидкости из секции в секцию более, чем в пять раз, его надежность за счет секционирования и смещения эксцентриситетов эксцентриковых узлов каждой последующей секции на 2

x/n, устранить сложные системы автоматического управления и настройки на резонанс каждой отдельной секции за счет поддержания одинакового давления газа во всех секциях, (56) Стренк Ф, Перемешивание и аппараты с мешалками, Л,: Химия, 1975, 384 с.

Авторское свидетельство СССР

Мг 1247072, кл. В 01 Г 11/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

М 701652, кл. В 01 Р 11/00, 1976 (прототип). ем четного Количества секций, каналами, соединяющими резонансную камеру предыдущей секции с пульсационной камерой последующей секции, при этом каналы снабжены обратными клапанами, в верхней части секции снабжены эксцентриковыми узлами и сообщенй между собой посредством эксцентрикового вала, прис чем зксцентриситеты эксцентриковых узлов каждой последующей секции смещены относительно предыдущей на угол 2>т и, где и — количество секций, 2004337 лФюг

АР

2004317

Составитель Г.Островский

Редактор Т.Никольская Техред М,Моргентал Корректор М.Куль

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Заказ 3366

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 г Ф уг,рао

4bz5

/Р фЯ

ФапФср

+сщ