Способ обработки гетерогенных сред (варианты) и пульсационный аппарат для его осуществления

Изобретение относится к аппаратам и способам обработки гетерогенных сред при помощи механических колебаний и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности для смешения (гомогенизации), растворения, экстрагирования, жидкостной экстракции, выщелачивания, репульпации, пропитки, в особенности в случае близких плотностей обрабатываемых фаз, а также для очистки сточных вод целлюлозно-бумажных производств и для бытовой или индустриальной стирки тканых материалов. Способ заключается в создании колебательного движения в гетерогенной среде, находящейся в аппарате путем импульсной подачи одной или нескольких струй жидкости на свободную поверхность гетерогенной среды (или под поверхность) в зонах расположения пучностей генерируемых волн. Частоту импульсов задают равной одной из собственных частот генерируемых волн. Пульсационный аппарат содержит емкость, генератор колебаний, управляемые клапаны, устройства для возбуждения колебаний в зонах пучностей генерируемых волн, соединенные с управляемыми клапанами, которые подключены к генератору колебаний. Технический результат состоит в повышении эффективности обработки гетерогенных сред, надежности работы аппарата. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к аппаратам и способам обработки гетерогенных сред при помощи механических колебаний и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности для смешения (гомогенизации), растворения, экстрагирования, жидкостной экстракции, выщелачивания, репульпации, пропитки, в особенности в случае близких плотностей обрабатываемых фаз, а также для очистки сточных вод целлюлозно-бумажных производств и для бытовой или индустриальной стирки тканых материалов.

Наиболее близким к заявляемому является способ обработки гетерогенных сред, реализованный в аппарате (пат. РФ №2004316, МПК⁸ В01F 11/00), содержащем емкость и установленные в ней центральную трубу и смесительное устройство с пружиной и штоком, соединенным с генератором колебаний. Известный аппарат снабжен регулятором давления, динамическим компенсатором, состоящим из пружины и груза, и опорами с пружинами, предотвращающими передачу вибраций на фундамент при запуске. Центральная труба выполнена с переточными отверстиями, в верхней части заглушена и подсоединена к регулятору давления вместе с размещенной на упругих опорах емкостью, к днищу которой прикреплен динамический компенсатор, причем смесительное устройство закреплено на штоке через упругий элемент.

Известное изобретение позволяет достичь эффективного перемешивания за счет реализации резонансных колебаний системы. Однако известному устройству присущи следующие недостатки. Наиболее активное перемешивание достигается у нижнего среза трубы, а также между переточными отверстиями и нижним срезом трубы. Вместе с тем в зоне между переточными отверстиями и свободной поверхностью жидкости перемешивание происходит недостаточно эффективно. Поэтому при обработке твердой фазы с плотностью, мало отличающейся от плотности жидкости (обладающих положительной или малой отрицательной плавучестью), например частиц растительного или животного происхождения, объем аппарата используется неэффективно, так как легкие частицы плавают на поверхности жидкости либо вблизи нее, практически не подвергаясь воздействию колебаний. Кроме того, в случае обработки длинномерных тканых изделий, например, при стирке простыней, скатертей, занавесок и т.п., возможно их запутывание, накручивание на элементы аппарата, завязывание в узлы, что снижает надежность работы устройства.

Задача предлагаемого изобретения - повысить эффективность процессов обработки гетерогенных сред, увеличить эффективность использования объема аппарата, повысить надежность его работы, обеспечить возможность обработки частиц с плотностью, меньшей плотности жидкости или сопоставимой с ней.

Поставленная задача решается тем, что по варианту 1 в способе обработки гетерогенных сред, включающем создание колебательного движения в гетерогенной среде, находящейся в аппарате, согласно изобретению колебательное движение создают путем импульсной подачи одной или нескольких струй жидкости на свободную поверхность гетерогенной среды, причем струи жидкости вводят в гетерогенную среду в зонах расположения пучностей генерируемых волн, а частоту импульсов задают равной одной из собственных частот генерируемых волн.

Поставленная задача решается тем, что по варианту 2 в способе обработки гетерогенных сред, включающем создание колебательного движения в гетерогенной среде, находящейся в аппарате, согласно изобретению колебательное движение создают путем импульсной подачи сжатого газа под свободную поверхность гетерогенной среды, причем ввод газа в гетерогенную среду осуществляют в зонах расположения пучностей генерируемых волн, а частоту импульсов задают равной одной из собственных частот генерируемых волн.

Поставленная задача решается также тем, что пульсационный аппарат для обработки гетерогенных сред, содержащий емкость для обрабатываемой гетерогенной среды, оборудованную технологическими патрубками, генератор колебаний, управляемые клапаны, согласно изобретению он содержит устройства для импульсной подачи струй жидкости или сжатого газа в зоны пучностей генерируемых волн в гетерогенной среде, соединенные с управляемыми клапанами, которые подключены к генератору колебаний.

Поставленная задача решается также тем, что в пульсационном аппарате каждое из устройств для импульсной подачи струй жидкости выполнено в виде сопла, соединенного с насосом.

Поставленная задача решается также тем, что в пульсационном аппарате каждое из устройств для импульсной подачи сжатого газа выполнено в виде колпака, открытого в нижней части, к верхней закрытой части которого подключен источник сжатого газа.

Наконец, поставленная задача решается тем, что в пульсационном аппарате сопла расположены под острым углом к горизонтальной плоскости.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность процессов обработки гетерогенных сред за счет более рационального ввода энергии, увеличить эффективность использования объема аппарата посредством более равномерного распределения вводимой энергии по объему аппарата, повысить надежность его работы за счет устранения как подвижных, так и неподвижных элементов в объеме аппарата, обеспечить возможность обработки частиц с плотностью, меньшей плотности жидкости или сопоставимой с ней за счет развитой свободной поверхности жидкости.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

На фиг.1-5 показаны примеры реализации предлагаемого изобретения, на фиг.6 - пример временных диаграмм включения клапанов для случая, когда их количество равно двум. Аппарат, представленный на фиг.3, является модификацией исполнения аппарата на фиг.1 (вариант 1), а аппараты на фиг.4 и 5 - модификациями исполнения аппарата на фиг.2 (вариант 2). На фиг.3-5 общие для аналогичных схем элементы (насос, компрессор, накопительная емкость и т.п.), изображенные на фиг.1 и 2, условно не показаны. Устройства возбуждения колебаний, предназначенные для возбуждения стоячих волн в гетерогенной среде, выполнены в виде устройств для импульсной подачи струй жидкости (фиг.1,3) либо в виде устройств для импульсной подачи сжатого газа (фиг.2, 4, 5).

На фиг.7 представлены примеры генерирования стоячих волн в гетерогенной среде для аппарата цилиндрической формы (знаками "+" и "-" показаны зоны пучностей стоячих волн, штрихпунктирными линиями с двойными точками - узловые линии стоячих волн на колеблющейся поверхности гетерогенной среды): на фиг.7, а - случай расположения одной пучности стоячих волн в гетерогенной среде в центре аппарата, а другой пучности - распределенной по кольцу вблизи его стенок, с узловой линией в виде окружности (характерно для расположения одного устройства для возбуждения колебаний на оси аппарата); на фиг.7, б - случай с прямой узловой линией, проходящей по диаметру аппарата и симметричным расположением пучностей стоячих волн в гетерогенной среде (характерно для симметричного расположения двух устройств для возбуждения колебаний, работающих в противофазе, как показано на фиг.1 или 2); на фиг.7, в - случай с двумя перпендикулярными прямыми диаметральными узловыми линиями, разделяющими аппарат на четыре квадранта (характерно для симметричного расположения двух устройств для возбуждения колебаний, работающих синфазно, либо при подключении двух устройств для возбуждения колебаний, находящихся в соседних квадрантах и работающих противофазно).

На фиг.1-5 представлены схемы пульсационных аппаратов для обработки гетерогенных сред, содержащих емкость 1 с обрабатываемой гетерогенной средой, оборудованную технологическими патрубками (на фиг.1-5 условно не показаны), генератор колебаний 2 и подключенные к нему управляемые клапаны 3 и 4. В зонах пучностей генерируемых стоячих волн в гетерогенной среде расположены устройства для импульсной подачи струй жидкости или сжатого газа в зоны пучностей, соединенные с управляемыми клапанами 3 и 4: на фиг.1 и 3 - сопла 5 и 6 для подачи жидкости, соединенные с накопительной емкостью 7 и насосом 8, а на фиг.2, 4 и 5 - колпаки 9 и 10, открытые в нижней части, к верхним частям которых подключен источник сжатого газа, состоящий из накопительной емкости (ресивера) 11 и компрессора 12. Колебания гетерогенной среды на фиг.1-5 показаны стрелками.

Особенностью аппарата, представленного на фиг.3, является наклонное расположение сопл 5 и 6, что позволяет не только генерировать стоячие волны в гетерогенной среде, но и сообщать ей вращательное движение.

Аппарат, изображенный на фиг.4, а, имеет вытянутую форму и оборудован колпаком 9, расположенным в центре. При этом в гетерогенной среде возбуждаются стоячие волны, показанные на фиг.4, б, аналогичные представленным на фиг.7, а.

В аппарате, представленном на фиг.5, колпаки 9 и 10 расположены у периферийной части аппарата и отделены друг от друга перегородкой 13. Нижние части колпаков 9 и 10 выполнены в виде колен, расположенных тангенциально к стенке аппарата и направленных в противоположные стороны. Это позволяет направить потоки жидкости, выходящей из колпаков 9 и 10, вдоль стенки аппарата. Высота выпускной части колен h составляет 80-90% от уровня жидкости Н в аппарате, что обеспечивает охват практически всей высоты слоя гетерогенной среды в аппарате и исключает прорыв газа в колпаки 9 и 10 через нижние их части.

Предлагаемый аппарат работает следующим образом.

В аппарате, изображенном на фиг.1 (первый вариант), в емкость 1 через технологические патрубки подают обрабатываемую гетерогенную среду, включают генератор колебаний 2, подающий импульсные сигналы на подключенные к нему управляемые клапаны 3 и 4 в соответствии с диаграммой, представленной на фиг.6. Под давлением, создаваемым насосом 8, жидкость из накопительной емкости 7 при попеременном открывании клапанов 3 и 4 (на фиг.6, а показана временная диаграмма включения клапана 3, на фиг.6, б - диаграмма включения клапана 4) поступает поочередно в сопла 5 и 6. Истекающие из сопл 5 и 6 струи жидкости передают кинетическую энергию на свободную поверхность гетерогенной среды в емкости 1, и в аппарате возникают колебания гетерогенной среды.

Благодаря тому, что струи жидкости вводят в зонах расположения пучностей генерируемых в гетерогенной среде стоячих волн, показанных на фиг.7, б или 7, в, а частоту импульсов, подаваемых генератором колебаний 2, задают равной одной из собственных частот генерируемых волн, колебания гетерогенной среды усиливаются, т.е. возникают резонансные явления: усиливается амплитуда колебаний, возрастает скорость движения дисперсной фазы относительно сплошной, что способствует ускорению процессов тепло- и массообмена. Это приводит к повышению эффективности процессов обработки гетерогенных сред. При этом в колебательном движении участвует весь объем среды в аппарате, что позволяет увеличить эффективность использования его объема. Вследствие отсутствия подвижных частей и минимального количества неподвижных элементов, повышается надежность работы аппарата. При обработке частиц с плотностью, меньшей плотности жидкости или сопоставимой с ней, легкая дисперсная фаза находится на свободной поверхности сплошной фазы, наиболее интенсивно участвуя в колебаниях, а также подвергаясь непосредственному воздействию струй жидкости. Это также способствует более интенсивной обработке дисперсной фазы.

Аналогично работает аппарат, изображенный на фиг.3. Помимо возбуждения стоячих волн в гетерогенной среде, возникает и ее вращательное движение, что способствует улучшению равномерности воздействия на все макрообъемы гетерогенной среды. Тем самым повышается эффективность использования объема аппарата.

В аппарате, изображенном на фиг.2 (второй вариант), в емкость 1 через технологические патрубки подают обрабатываемую гетерогенную среду, включают генератор колебаний 2, подающий импульсные сигналы на подключенные к нему управляемые клапаны 3 и 4 в соответствии с диаграммой, представленной на фиг.6. Под давлением, создаваемым компрессором 12, газ из накопительной емкости 11 при попеременном открывании клапанов 3 и 4 поступает поочередно в колпаки 9 и 10. Газ выталкивает жидкость из колпаков 9 и 10, причем колпаки обеспечивают движение газа почти до самого нижнего их среза (выходного сечения), находящегося под свободной поверхностью гетерогенной среды, что позволяет полнее использовать потенциальную энергию сжатого газа. Жидкость выталкивается из колпаков 9 и 10 в зоне расположения пучностей генерируемых стоячих волн в гетерогенной среде, а частота импульсов газа совпадает с одной из собственных частот генерируемых стоячих волн, т.е. в аппарате возбуждаются резонансные колебания гетерогенной среды. Это приводит к тем же результатам, что и в аппарате по первому варианту.

Аналогично работают аппараты, показанные на фиг.4 и 5. Особенностью аппарата, изображенного на фиг.5, является возникновение возвратно-вращательного движения жидкости (на фиг.5, а показано двунаправленной стрелкой). Жидкость, вытекающая под действием импульсной подачи газа в колпак 9, выталкивается вдоль линии, касательной к стенке аппарата, придавая гетерогенной среде момент количества движения. Под действием сил инерции гетерогенная среда движется против часовой стрелки, затекает в нижнюю часть колпака 10, где ее кинетическая энергия переходит в потенциальную. Под действием очередного импульса сжатого газа, подаваемого в колпак 10, движение гетерогенной среды обращается в противоположную сторону, и жидкость движется по часовой стрелке. Так происходит генерирование круговой стоячей волны. В данном случае пучности стоячей волны находятся в непосредственной близости от перегородки 13, т.е. колпаки 9 и 10 расположены в зонах пучностей. При совпадении частоты импульсов с одной из собственных частот генерируемых стоячих волн наблюдаются резонансные колебания, приводящие к вышеописанным положительным эффектам.

Пример конкретного выполнения 1. Аппарат, изображенный на фиг.1, заполняли 0,05-н раствором едкого натра объемом 40 л, в который подавали частицы бензойной кислоты со средним размером 300 мкм в количестве 250 г. В аппарате генерировали стоячие волны в гетерогенной среде, форма которых изображена на фиг.7, б. Длительность импульса (открытое состояние клапанов) при резонансных колебаниях составляла 0,2 с, длительность паузы (закрытое состояние клапанов) 2,2 с, а размах колебаний уровня жидкости достигал 80 - 100 мм. Продолжительность процесса нейтрализации 90% щелочи составила 300 с, а затраты энергии оказались в 6 раз меньше, чем в аппарате с циркуляционным контуром при сопоставимых прочих условиях.

Пример конкретного выполнения 2. Аппарат, изображенный на фиг.2 (к генератору 2 подключен лишь один клапан 3 и один колпак 9 диаметром 100 мм и высотой 500 мм, погруженный под поверхность воды на 250 мм), заполнили 40 л воды. При резонансных колебаниях продолжительность импульса составляла 0,3 с, продолжительность паузы 0,8 с, достигнут размах колебаний жидкости в колпаке 40-50 мм, а в аппарате 30-35 мм. При нерезонансных колебаниях жидкость в аппарате была почти неподвижна.

Пример конкретного выполнения 3. Аппарат, изображенный на фиг.3, аналогичен описанному в примере 1, однако оси сопл 5 и 6 отклонены от вертикальной плоскости, проходящей через первоначальное положением сопл, на 15° в разные стороны. При резонансных колебаниях продолжительность импульса составляла 0,2 с, продолжительность паузы 2,2 с, достигнут размах колебаний жидкости в аппарате 25-30 мм. При этом происходило непрерывное вращение жидкости в аппарате, и под прямое действие струй, истекающих из сопел 5 и 6, попадали новые порции жидкости. Аналогичный результат был получен при повороте сопл 5 и 6 на 30°, однако угловая скорость вращения жидкости была при этом выше, чем при 15°, что обеспечило более равномерную обработку гетерогенной среды.

В этих условиях аппарат был испытан в процессе стирки образцов ткани размером 50×50 мм, загрязненных эталонным составом, содержащим активированный уголь, машинное и вазелиновое масла, 2,5% молоко и поверхностно-активные вещества. Степень белизны отстирываемых образцов определялась при помощи сканера с применением программы Photoshop, позволяющей получать гистограмму распределения градаций серого по поверхности образца. Моющее действие определяли как отношение средней белизны отстиранного образца к белизне чистого (не загрязненного) образца. При стирке образцы ткани, имевшие плотность, сопоставимую с плотностью жидкости, плавали вблизи поверхности, периодически попадая под струи жидкости, уходя под поверхность и затем снова всплывая. Опыты показали, что скорость стирки (тангенс угла наклона логарифма моющего действия от времени) в предлагаемом аппарате в 20 раз выше, а моющее действие не хуже, чем в лучших известных аналогах. Кроме того, предлагаемый аппарат позволяет реализовать "мягкое" воздействие на крупные объекты стирки (полотенца, скатерти, шторы, занавески, покрывала, простыни и т.п.), не приводящее к их скручиванию, связыванию в узлы и ускоренному истиранию в результате сильного трения о стенки аппарата. Это позволяет рекомендовать его для использования в качестве промышленного оборудования для стирки.

Таким образом, предлагаемые способ и аппарат позволяют:

- повысить эффективность процессов обработки гетерогенных сред за счет возбуждения резонансных колебаний гетерогенной среды при импульсной подаче струй жидкости и ввода газа в зонах пучностей генерируемых в гетерогенной среде стоячих волн;

- за счет более равномерного распределения вводимой энергии по объему аппарата, в том числе при реализации вращательного движения, увеличить эффективности использования объема аппарата;

- за счет сведения к минимуму и даже исключения из конструкции аппарата подвижных и неподвижных элементов, находящихся непосредственно в рабочем объеме аппарата, повысить надежность его работы;

- благодаря непосредственному импульсному воздействию струй жидкости на развитую свободную поверхность гетерогенной среды или импульсной подаче сжатого газа под свободную поверхность гетерогенной среды с оптимальными параметрами колебаний обеспечить возможность обработки частиц с плотностью, меньшей плотности жидкости или сопоставимой с ней.

1. Способ обработки гетерогенных сред, включающий создание колебательного движения в гетерогенной среде, находящейся в аппарате, отличающийся тем, что колебательное движение создают путем импульсной подачи одной или нескольких струй жидкости на свободную поверхность гетерогенной среды, причем струи жидкости вводят в гетерогенную среду в зонах расположения пучностей генерируемых волн, а частоту импульсов задают равной одной из собственных частот генерируемых волн.

2. Способ обработки гетерогенных сред, включающий создание колебательного движения в гетерогенной среде, находящейся в аппарате, отличающийся тем, что колебательное движение создают путем импульсной подачи сжатого газа под свободную поверхность гетерогенной среды, причем ввод газа в гетерогенную среду осуществляют в зонах расположения пучностей генерируемых волн, а частоту импульсов задают равной одной из собственных частот генерируемых волн.

3. Пульсационный аппарат для обработки гетерогенных сред, содержащий емкость для обрабатываемой гетерогенной среды, оборудованную технологическими патрубками, генератор колебаний, управляемые клапаны, отличающийся тем, что он содержит устройства для импульсной подачи струй жидкости или сжатого газа в зоны пучностей генерируемых волн в гетерогенной среде, соединенные с управляемыми клапанами, которые подключены к генератору колебаний.

4. Пульсационный аппарат по п.3, отличающийся тем, что каждое из устройств для импульсной подачи струй жидкости выполнено в виде сопла, соединенного с насосом.

5. Пульсационный аппарат по п.3, отличающийся тем, что каждое из устройств для импульсной подачи сжатого газа выполнено в виде колпака, открытого в нижней части, к верхней закрытой части которого подключен источник сжатого газа.

6. Пульсационный аппарат по п.4, отличающийся тем, что сопла расположены под острым углом к горизонтальной плоскости.