Способ перемещения кусковых материалов в жидкости и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технологии массообменных противоточных процессов непрерывного действия между твердой и жидкой фазами, таких как отмывка, выщелачивание, растворение, и может быть использовано в радиохимической, химической, гидрометаллургической и в других отраслях промышленности. Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности противоточных массообменных процессов в системах твердое - жидкость с помощью нового способа и устройства для перемешивания твердофазного кускового материала. В устройстве трубчатый корпус (1) выполнен наклонным к горизонтальной поверхности в диапазоне от 5 до 60^o и снабжен насадкой (4), представляющей собой сопла (6), образованные плоскими лопатками (5), имеющими острый угол наклона к оси трубчатого корпуса (1) в диапазоне от 5 до 45^o с размещенными между лопатками защитными решетками (7) против провала твердофазных материалов под насадку, которая размещена внутри корпуса вдоль его оси, делит корпус на верхнюю (2) и нижнюю (3) полости и опирается на поперечные перегордки (11), образующие под насадкой полости, сообщающиеся с помощью трубопроводов (13) в нижней части каждая со своей выносной пульсационной камерой (14), причем количество пульсационных камер четное. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к технологии массообменных противоточных процессов непрерывного действия между твердой (в виде отдельных кусков, деталей и др.) и жидкой фазой, таких как отмывка, выщелачивание, растворение, и может быть использовано в радиохимической, химической, гидрометаллургической и в других отраслях промышленности. С наибольшим эффектом изобретение может быть использовано для обработки твердого материала, имеющего форму блочков длиной в 3-5 раз больше ширины, и значительную массу и плотность (до десятков грамм), например, для отмывки от жировых загрязнений металлоизделий или для выщелачивания кусковых материалов.

Наиболее перспективной схемой для массообменных процессов является противоточная схема движения твердофазных и жидкофазных реагентов. Благодаря противоточной схеме, снижается необходимое время контактирования твердой и жидкой фаз и повышается эффективность вышеуказанных процессов. Наибольшее распространение среди противоточных схем движения реагентов получили те, в которых твердая фаза в технологических аппаратах движется вниз (в направлении действия силы тяжести), а жидкая фаза вверх. Однако при использовании такой схемы противотока реагентов возникает ряд проблем, таких как недостаточное среднее время пребывания твердой фазе в одном аппарате, которое прежде всего определяется скоростью осаждения твердой фазы, а также технические сложности удаления твердой фазы из аппарата после процесса. Это связано с тем, что твердофазный материал скапливается внизу аппарата под слоем жидкости и находится чаще всего под значительным гидростатическим давлением (например, в колонных аппаратах), что заставляет разрабатывать сложные и, как правило, ненадежные узлы выгрузки твердой фазы.

Решение проблемы перемещения кускового материала вверх обеспечивает его более простое удаление из массообменного аппарата, чем в случае опускания твердой фазы вниз аппарата, а также открывает возможности по управлению временем пребывания твердой фазы в массообменном аппарате в более широких диапазонах и более простыми средствами.

Известен способ контактирования кусковых материалов, когда под действием возвратно-поступательного движения по наклонной поверхности, на которой находится твердофазный материал, он перемещается в верхнюю часть массообменного аппарата под действием вибровозбудителя (Вибрация в технике. М., Машиностроение, 1981, т. 4, с. 13 - 26). В этом способе на твердофазный материал воздействует наклонная поверхность, совершающая колебательное (возвратно-поступательное) движение направленного действия (под углом к направлению движения твердой фазы).

Такой способ позволяет осуществлять противоточное контактирование объектов с жидкой фазой (SU 648240, кл. B 01 D 11/02). Однако он весьма технически сложен для реализации в промышленных условиях из-за наличия подвижных элементов устройства в реакционной зоне, с агрессивными реагентами. Кроме того, обеспечить надежные подсоединения подводящих и отводящих трубопроводов к аппарату, совершающему частотные колебания, также затруднительно. Также важно то обстоятельство, что осуществлять колебательные движения с помощью вибровозбудителя можно только устройством ограниченной массы, поскольку с ростом такой массы резко возрастает мощность вибровозбудителя. Это означает, что технологические аппараты с виброприводом не могут иметь большие габариты, следовательно, их производительность достаточно низка.

Известен также способ перемещения твердой фазы в жидкой с использованием энергии пневматических импульсов заданных параметров и формы. Под действием пневматических импульсов жидкофазная среда, содержащая твердую фазу, приводится в возвратно-поступательное движение. При этом благодаря несимметричной форме импульсов (время подачи сжатого газа меньше времени его отвода) твердая фаза движется в направлении более интенсивного действия жидкостного импульса (SU 874093 кл. B 01 D 15/04).

Недостатком такого способа перемещения твердофазных материалов при осуществлении противотока является тот факт, что таким способом можно перемещать в технологическом аппарате только объекты небольшой массы, размеров и плотности, например ионообменные смолы. При больших плотностях и массах кусков твердого материала его движение прекращается, поскольку скорость осаждения твердофазных материалов сравнивается со скоростью подъема под действием поступательного движения жидкофазного реагента.

Устройство для осуществления этого способа просто по конструкции и надежно в работе за счет отсутствия у него подвижных элементов в реакционной зоне.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности противоточных массообменных процессов в системах твердое-жидкость с помощью нового способа и устройства для перемещения твердофазного кускового материала.

Поставленная задача достигается тем, что для эффективного перемещения кусковых материалов вверх при противоточной схеме массообменных процессов поступательное движение, осуществляемое под действием пневматических импульсов, преобразуют в периодическое истечение ряда параллельных пульсационных гидравлических струй, которые располагают вдоль направления движения твердой фазы и ориентируют вверх под острым углом к этому направлению, причем воздействие этих пульсационных гидравлических струй на твердый материал осуществляют одновременно всеми струями.

По второму варианту, воздействие пульсационных гидравлических струй на кусковой твердый материал осуществляют путем их истечения чередующимися группами в режиме противофазы.

По третьему варианту, воздействие пульсационных гидравлических струй на кусковой твердый материал осуществляют поочередно всеми группами гидравлических струй в режиме "бегущей волны".

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве известной конструкции для контактирования твердофазных материалов с жидкими трубчатый корпус выполнен наклонным к горизонтальной поверхности в диапазоне от 5 до 60 градусов и снабжен насадкой, представляющей собой сопла, образованные плоскими лопатками, имеющими острый угол наклона к оси трубчатого корпуса в диапазоне от 5 до 45 градусов, с размещенными между лопатками защитными решетками против провала твердофазных материалов под насадку, которая размещена внутри корпуса вдоль его оси, делит корпус на верхнюю и нижнюю полости и опирается на поперечные перегородки, образующие под насадкой полости, сообщающиеся с помощью трубопроводов в нижней части, каждая со своей выносной пульсационной камерой, причем количество пульсационных камер является четным числом.

Сущность изобретения поясняется с помощью приведенных ниже графических материалов.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез устройства для перемещения твердо-фазных материалов в жидкой среде.

На фиг. 2 приведено поперечное сечение устройства по плоскости А-А на фиг. 1.

На фиг.3 приведено устройство вид сверху.

На фиг. 4 приведен фрагмент насадки с фиг. 1.

На фиг. 5 приведена схема перемещения кускового твердофазного материала под действием пульсационных гидравлических струй при их одновременном действии.

а - при поступательном движении жидкости; b - при возвратном движении жидкости.

На фиг. 6 приведена схема перемещения кускового твердофазного материала под действием пульсационных гидравлических струй при чередовании фаз пульсации жидкости в секторах (противофаз) а) при истечении из нечетных групп струй, b) при истечении из четных групп струй.

На фиг. 7 приведена схема перемещения кускового твердофазного материала под действием пульсационных гидравлических струй при поочередной пульсации в секторах ("бегущая волна").

а - при истечении струй первой группы, b - при истечении струй второй группы; c - при истечении струй третьей группы; d - при истечении струй четвертой группы Устройство для перемещения кусковых твердофазных материалов в жидкой среде включает (см. фиг. 1, фиг. 2 и фиг 3) трубчатый корпус (1), который разделен на верхнюю (2) и нижнюю (3) полости насадкой (4). Насадка (4) сформирована (см. фиг. 4) плоскими лопатками (5), установленными поочередно друг за другом и формирующими наклонные щелевые сопла (6), причем угол между плоскостью лопаток (5) и горизонтальной плоскостью составляет от 5 до 85 градусов. Между соседними лопатками (5) установлена решетка (7), предназначенная для удержания твердофазного материала (8) на насадке. К верхней полости (2) трубчатого корпуса (1) подсоединены патрубки (9) с отводом (15) - для загрузки кускового материала и вывода жидкой фазы, патрубок (17) - для сдувки из аппарата, патрубок (10) - для выгрузки обработанного кускового материала и патрубок (16) - для подачи свежего раствора (жидкой фазы). Нижняя полость (3) трубчатого корпуса (1) разделена поперечными перегородками (11) на четное число секторов (групп) (12), каждый из которых сообщен трубопроводом (13) со своей пульсационной камерой (14), которая подключается к пульсатору (на рисунках не показан). Количество пульсационных камер зависят от длины трубчатого корпуса предлагаемого устройства, но является четным числом.

Устройство работает следующим образом: проводят заполнение устройства жидким реагентом с заданным постоянным расходом через патрубок (16). По загрузочному канату (9) твердая фаза в виде кусков одинакового размера или заданного фракционного состава с дозированным расходом поступает на нижний участок насадки (6). От пульсаторов по трубопроводам (на рисунке не показаны) поступают пневматические импульсы заданных параметров (f - частоты колебании, P давления сжатого газа и соотношения времени впуска и выпуска газа) в пульсационные камеры (14). Под действием этих пневматических импульсов, поступающих в пульсационные камеры (14), из них вытесняется жидкость заданного объема и с заданной скоростью пропускается по трубопроводу (13) в соответствующие им сектора (12). Затем эта жидкость, проходя через сопла (6) и решетки (7) и приобретая форму струй, поступает в верхнюю полость (2). Образовавшийся излишек жидкости в верхней полости (2) заполняет свободное пространство патрубка сдувки (15). В этот момент сила тяжести кускового твердого материала (8) преодолевается напором струи, под действием этих гидравлических струй кусковой материал (8) отрывается от решетки (7), поднимается вверх на определенную высоту и перебрасывается на соседние сопла насадки (6). В следующий момент с помощью пульсаторов (на рисунках не показаны) осуществляется выпуск отработавшего сжатого газа из пульсационных камер (14), и жидкость возвращается в пульсационные камеры (14) до первоначального уровня тем же пукам. Кусковой материал в этот момент обратным током жидкости прижимается к решетке (7) насадки (6) и остается неподвижным. Таким образом кубковой твердофазный материал (8) с заданной частотой перемещается по насадке в верх аппарата, откуда с помощью патрубка (10) удаляется из аппарата. А жидкость, пройдя через аппарат навстречу твердофазному материалу удаляется через патрубок (15).

Способ перемещения кускового твердофазного материала может осуществляться по схемам, представленным на фиг 5, 6 и 7.

По первому варианту (фиг. 5), когда все пульсационные камеры (14) работают одновременно от одного пульсатора, весь твердофазный материал при истечении всех струй одновременно отрывается от насадки и перемещается вперед (поз. "а" на фиг. 5). Затем, при обратном токе, весь материал неподвижен (поз. "b" на фиг 5). Этот вариант является наиболее эффективным в случае, когда твердый материал расположен в виде равномерного плотного стоя по всей длине аппарата.

По второму варианту (фиг. 6), когда каждая нечетная пульсационная камера (14) срабатывает одновременно от одного пульсатора, например, в момент истечения жидкости под действием пневматического импульса (поз."а" фиг. 6) приходит в движение только тот твердый материал, на который воздействуют в данный момент группа гидравлических струй. В то же время все четные пульскамеры (14) в режиме противофазы срабатывают одновременно от одного пульсатора (на рисунке не показан) на возврат жидкости (в момент сброса отработавшего газа из пульсационных камер). При этом на участках насадки, расположенных над секторами, соответствующими нечетным пульсационным камерам, идет перемещение кускового материала (8), а на участках насадки, расположенных над секторами, соответствующими четным пульсационным камерам, куски материалы неподвижны. Этот вариант наиболее эффективен в случае, когда твердый материал располагается тонким слоем по всей длине аппарата По третьему варианту (фиг. 7), пульсационные камеры (14) работают от пульсаторов по заданной программе последовательно (в режиме "бегущей волны"). При этом перемещение кускового материала происходя только на участке насадки, пульсационная камера которого в настоящий момент работает на истечение жидкости. Этот ворует наиболее эффективен, когда твердый материал располагается отдельными кучками по длине аппарата.

В качестве примера рассмотрим процесс обезжиривания точеных изделий цилиндрической формы, длиной 55 мм и диаметром 12 мм, массой 6,10,20,30 и 36 г с использованием предлагаемого способа и устройства. Испытания проводились на модельном аппарате, конструкция которого представлена на фиг. 1, длина насадочной части составила 2400 мм, а ее ширина - 150 мм. Расстояние между лопатками насадки составляло 7 мм.

Испытания в первом варианте проводились следующим образом: аппарат заполнялся обезжиривающим раствором, затем включался пульсатор, генерировавший импульсы сжатого воздуха заданного давления и формы (пилообразной) с соотношением времени впуска и времени выпуска t_вп/t_вып=0,2 (с) / 2,5 (с). Устанавливалось максимальное давление сжатого воздуха в пульсационных камерах (в каждой из четырех) P_max = 0,065 МПа. Через загрузочный патрубок (9) на начальный (нижний) участок насадки осуществлялась загрузка изделия с расходом 100 шт. /мин, толщина слоя соответствовала трем- четырем диаметрам деталь. Фиксировалось время их прохождения по насадке массообменного аппарата до их появления на выходе. Проведенные замеры показали, что при таком режиме среднее время пребывания изделий в аппарате составило 15 мин.

Во втором варианте испытания проводились на том же модельном аппарате и на тех же изделиях, что и в первом варианте. Соотношение было t_вп/t_вып= 0,3/0,3. Подача сжатого воздуха (P_max = 0,060 МПа - максимальное давление воздуха в пульскамерах) осуществлялась в нечетные пульсационные камеры в течение 0,3 с, затем в четные в такое же время. А четные пульсационные камеры сообщались со сдувкой, затем цикл повторялся. Загрузка изделий с такими же характеристиками, что и в первом варианте, составила 40 шт./мин, толщина слоя соответствовала диаметру деталей. Проведенные замеры показали, что при таком режиме среднее время составило 20 мин. В третьем варианте испытания проводились на том же модельном аппарате и на тех же изделиях, что и в первом варианте. Соотношение времени впуска и выпуска сжатого воздуха было t_вп/t_вып= 0,2/2,5. Подача сжатого воздуха (P_max = 0,064 МПа) осуществлялась четырьмя пульсаторами, управляемыми по команде от электронного командного устройства (на рисунках не показаны) последовательно по принципу "бегущей волны". Загрузка изделий составила 20 шт./мин. При таком режиме пульсации среднее время пребывания изделий в аппарате составило 22 мин.

Формула изобретения

1. Способ перемещения кусковых материалов в жидкости в массообменных аппаратах, включающий преобразование пневматических импульсов пилообразной формы в возвратно-поступательное движение жидкости и поступательное движение снизу-вверх кусковых материалов, отличающийся тем, что возвратно-поступательное движение жидкости формируют с помощью щелевых насадок в виде плоских струй, которые в фазе подачи импульса давления ориентируют вверх под острым углом к направлению перемещения кусков материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование струй осуществляют по зонам, расположенным по длине аппарата.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что формирование струй осуществляют одновременно по всей длине массообменного аппарата.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что формирование струй в соседних зонах осуществляют в режиме противофазы.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что формирование струй в соседних зонах осуществляют в режиме "бегущей волны".

6. Устройство для перемещения кусковых материалов в жидкости при проведении массообменных процессов, включающее трубчатый корпус, размещенную внутри корпуса насадку, штуцера загрузки и выгрузки реагентов и пульсационную камеру, отличающееся тем, что корпус размещен под углом 5 - 60^o к горизонтали, насадка выполнена в виде ряда плоских лопаток, установленных по длине корпуса под углом 5 - 45^o к оси корпуса и делящих рабочий объем на верхнюю и нижнюю полости.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что нижняя полость поделена поперечными перегородками на зоны, каждая из которых соединена трубопроводом с пульсационной камерой.

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что щель между соседними лопатками перегорожена сетчатой перегородкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7