Способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов и аппарат для его осуществления

Группа изобретений относится к получению суспензии порошков неорганических и органических материалов и может быть использована для деагломерации в жидкой среде наноразмерных порошков углерода, металлов и их соединений, органических веществ в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов заключается в возбуждении колебаний в суспензии путем ее пропускания через пульсационный аппарат проточного типа и вводе в суспензию один или более раз инертного газа. Причем возбуждение колебаний в суспензии при ее движении чередуют с отсутствием колебательных воздействий. Частоту колебательных воздействий постепенно увеличивают по ходу движения суспензии вдоль оси аппарата, а инертный газ вводят с объемным расходом, не превышающим 4% от расхода суспензии. Аппарат, предназначенный для реализации указанного способа, содержит нагнетатель и пульсационный аппарат проточного типа в виде одной или нескольких установленных параллельно труб с переменным сечением, узлов подвода компонентов и отвода продуктов. Пульсационный аппарат состоит из чередующихся участков с периодически изменяющимся поперечным сечением и с постоянным поперечным сечением. Каждый из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением представляет собой 35 элементов типа трубы Вентури, а участки с постоянным поперечным сечением имеют диаметр широкой части диффузора, а их длина в 24 раза превышает длину участков с периодически изменяющимся поперечным сечением. При этом на каждом последующем участке с периодически изменяющимся поперечным сечением шаг между элементами типа трубы Вентури либо их объем уменьшается по сравнению с предыдущим участком с периодически изменяющимся поперечным сечением. Техническим результатом является повышение эффективности процесса получения суспензии высокодисперсных частиц и повышение производительности аппарата за счет более равномерного ввода энергии в гетерогенную систему, оптимального распределения энергии по длине аппарата и по частотам, а также оптимального расхода вводимого газа. 2 н.з. ф-лы, 4 ил., 2 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к получению суспензии порошков неорганических и органических материалов и может быть использовано для дезагрегации (деагломерации) в жидкой среде наноразмерных порошков углерода, металлов и их соединений, органических веществ в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Известен способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов, реализованный в аппарате (Аксельруд Г.А. Массообмен в системе твердое тело-жидкость. Львов: Изд-во Львовск. ун-та, 1970. - С. 155), в котором жидкость, несущая твердые частицы, движется по трубе, площадь которой переменна по длине трубы. При этом труба состоит из множества последовательно соединенных элементов одинаковой формы, состоящих из двух частей: одна часть каждого элемента представляет собой веретенообразное полое тело, вторая - горловину цилиндрической формы. При движении в такой трубе жидкость постоянно меняет свою скорость. Твердые частицы также периодически меняют скорость своего движения, то отставая от ускоряющейся в узком сечении жидкости, то опережая затормаживающуюся в широком сечении жидкость. Вследствие инерции твердых частиц в трубе создается дополнительная скорость относительного движения фаз, способствующая возрастанию коэффициента массоотдачи. Однако такой инерционный эффект возможен лишь при наличии ненулевой разности плотностей твердой либо жидкой (дисперсная фаза) и жидкой сред (сплошная фаза), а значительным он будет при существенном отличии этих плотностей. Кроме того, известный аппарат обладает формой, не обеспечивающей минимальные гидравлические потери при движении в нем жидкости. Следовательно, при большой протяженности трубы в нем будет теряться большое количество энергии. Помимо этого веретенообразная форма труб довольно сложна в изготовлении. Эти недостатки существенно ограничивают практическую применимость известного аппарата и реализованного в нем способа.

Известен способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов, реализованный в аппарате для осуществления взаимодействия в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость (патент РФ №2186614, МКИ 7 B01F 5/00, БИ №22, 2002), содержащий корпус, одну или несколько труб контактирования фаз, размещенных в нем, и технологические патрубки, причем трубы контактирования фаз выполнены в виде последовательно соединенных конфузорно-диффузорных элементов типа трубы Вентури, а угол раскрытия конфузорной части лежит в пределах от 10 до 40°, а диффузорной - в пределах от 4 до 20°. Благодаря оптимальной геометрической форме элементов типа трубы Вентури гидравлическое сопротивление известного аппарата ниже, чем у аналогичных конструкций. Однако он предназначен для осуществления взаимодействия в системах газ-жидкость и жидкость-жидкость, особенно в случае быстропротекающих реакций или массообменных процессов. Так, например, при продолжительности процесса 120 с и средней скорости движения среды в трубах контактирования фаз 2 м/с длина труб в аппарате должна составлять не менее 240 м. Это приводит к увеличению металлоемкости аппарата и его гидравлического сопротивления, т.е. возрастают и капитальные, и текущие затраты. Кроме того, при длине одного элемента типа трубы Вентури 400 мм общее их количество составит 600 шт. С учетом довольно высокой сложности изготовления таких элементов это также приведет к увеличению себестоимости аппарата. В этом аппарате также неэффективна обработка дисперсных включений (твердых частиц или капель жидкости), имеющих плотность, мало отличающуюся от плотности жидкой сплошной фазы.

Известен способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов, реализованный в аппарате для обработки жидкостями частиц (патент РФ №2064319, МКИ6 B01D 11/02, 12/00, БИ №21, 1996). Известный аппарат содержит нагнетатель для перекачивания суспензии, трубу с периодической геометрией, выполненную в виде последовательно соединенных элементов типа трубы Вентури, состоящих из конфузорной и диффузорной частей и снабженных рубашкой для протока теплоносителя. При расширении гетерогенного потока в диффузорной части элементов типа трубы Вентури давление увеличивается и поры капиллярно-пористых частиц насыщаются жидкостью; при сужении потока в конфузорной части давление падает, при этом жидкость, насыщенная целевым компонентом, выходит из пор частиц. При прохождении частиц суспензии через каждый элемент типа трубы Вентури процесс периодически повторяется, и пропитка, а также экстрагирование протекают весьма интенсивно. Известный аппарат, назначение которого - проведение процессов экстрагирования и пропитки, мало пригоден для проведения других реакционных и массообменных процессов, особенно для тех, продолжительность которых составляет десятки секунд и более. Это связано с тем, что при большой продолжительности процесса возрастает длина аппарата и его гидравлическое сопротивление. Кроме того, аппарат довольно сложен в изготовлении, причем стоимость изготовления растет пропорционально количеству элементов типа трубы Вентури, а значит, и пропорционально общей длине аппарата. В этом аппарате обработка твердых частиц или жидкости, представляющих собой дисперсную фазу, имеющих плотность, мало отличающуюся от плотности жидкости, представляющей собой сплошную среду, также неэффективна.

Известен способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов - аналог (патент РФ №2508963), в частности, для диспергирования наноразмерного порошка, в частности диоксида кремния марки Таркосил разновидности T05B 06, в жидкой среде, полученный при этом состав может быть использован в качестве функциональной (модифицирующей) добавки в лакокрасочные и другие строительные материалы (бетоны, клеи для укладки керамической плитки и т.д.) для повышения их прочности и износостойкости. Задачей известного изобретения является высокоэффективный способ диспергирования наноразмерного порошка диоксида кремния в жидкость с использованием энергии ультразвуковых колебаний в режиме акустической кавитации. К достоинствам способа относятся: высокая надежность ввиду отсутствия подвижных частей, а также отсутствие прямого контакта обрабатываемой среды с активным элементом. Вместе с тем, известному способу присущи недостатки: 1) ультразвук обладает большим поглощением в жидкофазных средах, что определяет его применение для обработки лишь малых технологических объемов; 2) при увеличении объема обрабатываемой жидкости значительно возрастает энергоемкость процесса ультразвуковой обработки за счет повышения мощности источника и необходимости организации циркуляционного движения, что становится экономически невыгодным при производстве продукции относительно малой стоимости.

Наиболее близким к предлагаемому изобретения является способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов, реализованный в аппарате для обработки жидкостями частиц - прототип (патент РФ 2264847, B01F 5/00, B01J 19/10).

В известном способе возбуждают колебания в гетерогенной системе путем ее пропускания через трубу с переменным сечением, причем возбуждение колебаний в гетерогенной системе при ее движении чередуется с отсутствием колебательных воздействий, а в гетерогенную систему один или более раз вводится газ. Аппарат для реализации способа состоит из нагнетателя и одной или нескольких труб с переменным сечением, устройств подвода компонентов и отвода продуктов, отличающийся тем, что труба состоит из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением, чередующихся участками с постоянным поперечным сечением. Известное изобретение позволяет повысить эффективность, снизить гидравлические потери, упростить конструкцию аппарата. Вместе с тем, к его недостаткам относятся: недостаточно равномерное распределение энергии по длине аппарата и по частотам возбуждаемых пульсаций, что позволяет деагломерировать лишь агломераты самых крупных размеров (агломераты состоят из более мелких структурных единиц - агрегатов), а более мелкие при этом остаются неразрушенными. Кроме того, в известном изобретении не регламентировано конкретное значение расхода газа, что не гарантирует достижение указанного эффекта и при неудачном выборе этого параметра может приводить к существенному (в несколько раз) увеличению потерь давления и, как следствие, к многократному увеличению энергетических затрат. В известном изобретении не дано также конкретных рекомендаций по количеству элементов с периодически изменяющимся поперечным сечением на каждом участке, а также по длине участков с постоянным поперечным сечением и их диаметру.

Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности процесса получения суспензии высокодисперсных частиц и повышение производительности аппарата за счет более равномерного ввода энергии в гетерогенную систему, оптимального распределения энергии по длине аппарата и по частотам, а также оптимального расхода вводимого газа.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов, заключающемся в возбуждении колебаний в суспензии путем ее пропускания через пульсационный аппарат проточного типа и вводе в суспензию один или более раз инертного газа, причем возбуждение колебаний в суспензии при ее движении чередуют с отсутствием колебательных воздействий, согласно изобретению частоту колебательных воздействий постепенно увеличивают по ходу движения суспензии вдоль оси аппарата, а инертный газ вводят с объемным расходом, не превышающим 4% от расхода суспензии.

Поставленная задача достигается также тем, что аппарат, предназначенный для реализации способа, содержит нагнетатель и пульсационный аппарат проточного типа в виде одной или нескольких установленных параллельно труб с переменным сечением, узлов подвода компонентов и отвода продуктов, пульсационный аппарат состоит из чередующихся участков с периодически изменяющимся поперечным сечением и с постоянным поперечным сечением, отличающийся тем, что каждый из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением представляет собой 3-5 элементов типа трубы Вентури, а участки с постоянным поперечным сечением имеют диаметр широкой части диффузора, а их длина в 2-4 раза превышает длину участков с периодически изменяющимся поперечным сечением, при этом на каждом последующем участке с периодически изменяющимся поперечным сечением шаг между элементами типа трубы Вентури либо их объем уменьшается по сравнению с предыдущим участком с периодически изменяющимся поперечным сечением.

На фиг. 1-3 представлены схемы исполнения аппарата, реализующего предлагаемый способ, а на фиг. 4 - график, характеризующий эффективность преобразования энергии при вводе газа, в зависимости от объемной доли газа, на примере дробления капель при вводе газа в эмульсию "масло в воде" (верхняя линия соответствует максимальному размеру капель, нижняя - среднему размеру капель). В таблице 1 приведены результаты измерений размеров агломератов наночастиц после обработки по предлагаемому изобретению и с использованием прототипа.

Размер капель масла служит индикатором эффективности трансформации вводимой в аппарат механической энергии в создание мелкодисперных капель с развитой поверхностью. На фиг. 1 на каждом последующем участке с периодически изменяющимся поперечным сечением шаг между элементами типа трубы Вентури уменьшается: на первом участке он составляет а, на втором (0,5÷0,7)а. На фиг. 2 на каждом последующем участке с периодически изменяющимся поперечным сечением объем элементов типа трубы Вентури уменьшается по сравнению с предыдущим участком с периодически изменяющимся поперечным сечением. На фиг. 3 показан случай, когда пульсационный аппарат проточного типа выполнен в виде нескольких (двух) установленных параллельно труб с переменным сечением.

На фиг. 1-3 представлена схема аппарата для реализации предлагаемого способа. Аппарат состоит из питающей емкости 1, патрубков подачи исходных компонентов 2, 3 и инертного газа 4, насоса 5, трубы с переменным сечением 6, которая, в свою очередь, состоит из последовательно соединенных участков 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением, включающих несколько элементов 8 типа трубы Вентури и чередующихся с ними участков 9 с постоянным поперечным сечением. К насосу 5 может быть параллельно подключено несколько труб 6 (фиг. 3). Элементы 8 типа трубы Вентури состоят из конфузора 10, горловины 11 и диффузора 12. Предпочтительными являются углы раскрытия конфузоров 10 в пределах от 10 до 40°, а диффузоров 12 - от 4 до 20°. Конец трубы 6 подключен к сборнику 13 готового продукта, снабженного сливным патрубком 14.

Аппарат работает следующим образом. В питающую емкость 1 через патрубки 2 и 3 подают исходные компоненты жидкость либо и твердые частицы, либо суспензию с агломератами и жидкость (для разбавления суспензии); в качестве одного из исходных компонентов может выступать и газ - при проведении газожидкостных химических реакций или массообменных процессов - подаваемый в патрубки 4). При необходимости гарантированного подсоса всех компонентов в насос 5 (дисперсная фаза может подаваться непосредственно в зону слива емкости 1 за счет удлиненной формы патрубка 3 (на фиг. 1 удлиненный патрубок 3 показан пунктиром). Газ вводится в аппарат через один или несколько патрубков 4. Насосом 5 (например, центробежным или вихревым) образовавшаяся гетерогенная система подается в трубу 6. В гетерогенной системе, проходящей через участки 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением, возбуждаются колебания скорости, ускорения и давления, обусловленные изменением поперечного сечения трубы 6 на участках 7, т.е. формой элементов 8 типа трубы Вентури. При попадании гетерогенной системы на участки 9 с постоянным сечением колебания в системе постепенно затухают, возбуждаясь снова при следующем попадании гетерогенной системы на участки 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением; таким образом, процесс возбуждения колебаний на участках 7 и постепенного их затухания на участках 9 многократно повторяется при движении гетерогенной смеси по трубе 6. При подаче газа через патрубки 4 в гетерогенную систему происходит тонкое его диспергирование в виде пузырьков размером 0,1-2 мм, возрастает газосодержание гетерогенной смеси, а ее плотность снижается. Благодаря этому увеличивается разность плотностей между дисперсной фазой (твердыми частицами, каплями жидкости) и сплошной средой, представляющей собой газожидкостную смесь. В результате возрастания разности плотностей фаз при резком торможении и ускорении потока увеличивается относительная скорость их движения. Следовательно, интенсифицируются и процессы тепло- и массообмена, а в случае проведения реакционных и каталитических процессов снижается диффузионное сопротивление и реакция переходит в кинетическую область. Кроме того, благодаря наличию пузырьков газа в газожидкостной смеси (в которой могут также находиться, в зависимости от процесса, твердые частицы или капельки другой жидкости), протекающей через трубу 6 с переменным сечением, в ней происходят следующие явления. При прохождении гетерогенной системы через участки 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением, т.е. через элементы 8 типа трубы Вентури, происходит периодическое изменение скорости, ускорения и давления в системе (в конфузоре 10 давление падает, достигая минимума в горловине 11, а скорость увеличивается, в диффузоре 12 давление возрастает, а скорость снижается и т.д.), пузырьки пульсируют как в случае кавитации, вблизи них происходит локальное увеличение скорости жидкости, интенсифицируется перемешивание; при их схлопывании возникают кумулятивные струйки, бьющие по поверхности капель и твердых частиц. Вследствие этого снижается диффузионное сопротивление на поверхности твердых частиц и капель вблизи пульсирующих пузырьков, а дробление капель происходит более интенсивно. При попадании гетерогенной системы на участок 9 с постоянным сечением колебания постепенно затухают, пузырьки сливаются, укрупняясь, и интенсивность их воздействия на остальные компоненты гетерогенной системы плавно снижается. Однако участки 9 должны быть не очень длинными, чтобы это снижение интенсивности колебаний не приводило к ощутимому уменьшению эффективности всего аппарата в целом. За каждым участком 9 (кроме последнего) с постоянным поперечным сечением следует участок 7 с периодически изменяющимся сечением, в котором колебания возбуждаются снова, и процессы переноса вновь интенсифицируются. Участки 9, обладающие постоянным сечением, просты в изготовлении и обладают невысоким гидравлическим сопротивлением. Поэтому колебания в аппарате возбуждаются "пакетами", т.е. только на участках 7. Это позволяет снизить стоимость аппарата за счет уменьшения количества сложных в изготовлении элементов 8 типа трубы Вентури и одновременно уменьшить общее гидравлическое сопротивление аппарата.

Выполнение каждого из участков 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением в виде последовательно установленных 3-5 элементов 8 типа трубы Вентури позволяет, с одной стороны, добиться достаточного эффекта воздействия на агломераты наноразмерных частиц, с другой - снизить потери давления и, соответственно, затраты энергии. Этим же целям служит выполнение участков 9 с постоянным поперечным сечением с диаметром, равным диаметру широкой части диффузора, а их длины - в 2-4 раза превышающей длину участков с периодически изменяющимся поперечным сечением. При выполнении участков 9 с постоянным поперечным сечением с меньшим диаметром при заданном расходе в них возрастает число Рейнольдса, характеризующее уровень турбулентности, что привело бы к увеличению энергетических затрат. Выполнение участков 9 с постоянным поперечным сечением с большим диаметром повлекло бы за собой увеличение металлоемкости аппарата, а значит, и увеличение капитальных затрат. Выполнение участков 9 с постоянным поперечным сечением длиной H, менее чем в 2-4 раза превышающей длину участков 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением L, т.е. H<(2-4)L, привело бы к увеличению гидравлического сопротивления аппарата в целом, так как в этом случае чрезмерно возросло бы количество участков 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением. Если же значение H задать более чем в 2-4 раза превышающим длину участков с периодически изменяющимся поперечным сечением L, т.е. H>(2-4)L, то это приводит к тому, что на участках 9 с постоянным поперечным сечением происходит столкновение мелких агломератов и их вторичная агломерация с образованием крупных агломератов, что в конечном счете ведет к снижению эффективности аппарата.

Постепенное увеличение частоты колебательных воздействий по ходу движения суспензии вдоль оси аппарата позволяет последовательно разрушать сначала крупные агломераты, затем средние и, наконец, мелкодисперсные. Таким образом, при использовании способа и аппарата по предлагаемому изобретению сначала (при прохождении через первый участок с периодически изменяющимся поперечным сечением) разрушаются крупные агломераты с размерами (от 0,5 до 2-3 мм), которые поддаются разрушению при низкочастотных колебаниях (с частотой порядка 20-50 Гц), в результате деагломерации крупных образуются среднеразмерные агломераты (от 0,02 до 0,3-0,5 мм), для разрушения которых эффективны среднечастотные колебательные воздействия. Далее, при прохождении через второй участок с периодически изменяющимся поперечным сечением среднеразмерные агломераты испытывают действие среднечастотных колебательных воздействий (с частотой порядка 50-100 Гц), распадаясь на мелкие агрегаты (размером менее 0,02 мм). При прохождении через третий участок с периодически изменяющимся поперечным сечением мелкие агрегаты подвергаются наиболее жесткому воздействию (с частотой более 100 Гц), распадаясь на наночастицы и микроагрегаты с широким дисперсным составом (не более 0,01 мм). В итоге достигается повышение эффективности процесса получения суспензии высокодисперсных частиц за счет более равномерного ввода энергии в гетерогенную систему - с временным масштабом энергии, соответствующим размеру агломератов, подлежащих деагломерации. В предлагаемом аппарате эффект увеличения частоты по ходу движения суспензии вдоль оси аппарата достигается либо за счет того, что на каждом последующем участке 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением шаг а между элементами типа трубы Вентури уменьшается по сравнению с предыдущим участком 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением (на фиг. 1 - на первом участке 7 шаг равен а, на втором участке 7 - шаг равен (0,5÷0,7)а), либо за счет уменьшения объема на каждом последующем участке 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением по сравнению с предыдущим (на фиг. 2 объемы уменьшаются при сохранении геометрического подобия элементов 8 типа труба Вентури - от диаметра D1 на первом участке 7 к диаметру D2 на втором участке 7 и далее - к диаметру D3 на третьем участке 7.

Ввод в аппарат инертного газа с объемным расходом, не превышающим 4% от расхода суспензии, позволяет повысить эффективность процесса получения суспензии высокодисперсных частиц и повысить производительность аппарата за счет более равномерного ввода энергии в гетерогенную систему. Это достигается посредством того, что вводимый в систему - суспензию с агломератами - газ дробится на мелкие пузырьки, которые достаточно равномерно распределяются по объему аппарата, заполняя пространство между агломератами. При прохождении через участки с периодически изменяющимся поперечным сечением пузырьки, распределенные в объеме обрабатываемой суспензии, выполняют функцию вторичных излучателей колебаний, существенно улучшая гидродинамическую обстановку в аппарате. В частности, благодаря радиальным микромасштабным колебаниям поверхности пузырьков во всем объеме суспензии усиливаются колебания давления, сдвиговых напряжений, что усиливает эффекты дробления как капель, так и агломератов наноразмерных частиц. Этот эффект наиболее выражен в диапазоне расходов газа от 0,25% до 2-4%. При увеличении расхода вводимого газа выше 2-4% расстояние между пузырьками становится сопоставимым с их размером, при пульсациях давления возникает сила гидродинамического дальнодействия (Бьеркнеса), под действием которой происходит сближение и слияние пузырей, в результате которого они укрупняются, эффект их плавучести возрастает и равномерность их распределения в объеме падает. Этим объясняется ограничение верхнего предела объемного расхода инертного газа не более 4% от расхода суспензии.

Многократная подача газа в патрубки 4 необходима в случае расходования газа в результате протекания химической реакции или вследствие его растворения в жидкости. После многократного прохождения через участки 7 и 9 трубы 6 гетерогенная система подвергается интенсивной обработке, готовый продукт сливается из трубы 6 в сборник 13 и через патрубок 14 выводится из аппарата. Общая длина трубы 6 определяется заданным временем пребывания в аппарате.

При необходимости увеличения производительности аппарата при заданном времени пребывания возможно параллельное подключение нескольких труб 6 к насосу 5 с общим выводом из них готового продукта в сборник 13.

Пример конкретного выполнения 1. Данный пример характеризует предлагаемое изобретение.

В аппарате, схема которого показана на фиг. 2, к линии всасывания насоса 5 центробежного типа подключена емкость 1, а к линии нагнетания - труба 6, состоящая из трех участков 7 (длиной 0,43 м каждый) с периодически изменяющимся поперечным сечением и четырех участков 9 (длиной 1,3 м каждый) постоянного сечения. Участки 7 состоят из 5 элементов 8 типа трубы Вентури с диаметром узкой части 10 мм и диаметром широкой части 20 мм. При этом шаг между элементами 8 типа трубы Вентури был задан следующим образом: на первом участке 7 а=195 мм, на втором - а=129 мм, на третьем - а=86 мм. Длина первого участка 7 составила L=780 мм, второго - L=516 мм, третьего - L=344 мм. Участки 9 с постоянным поперечным сечением имели диаметр широкой части диффузора 20 мм, а их длина по ходу движения суспензии вдоль оси аппарата составляла: для первого участка 9 Н=2340 мм, второго - Н=1548 мм, третьего - Н=1032 мм.

Через единственный патрубок 4, расположенный в начале первого по ходу течения жидкости участка 7, компрессором (на фиг. 1 не показан) подается воздух. Расход суспензии агломератов наночастиц, подаваемой насосом, составлял 2,36 м3/ч (6,39⋅10-4 м3/с), а расход вводимого через патрубок 4 газа 0,32⋅10-5 м3/с (0,5% от расхода суспензии). Расход суспензии измерялся электромагнитным расходомером 6 типа ВЗЛЕТ ЭР ЭРСВ-540М с относительной погрешностью измерения ±2,0%, давление до и после аппарата измерялось манометрами 7 типа Элемер АИР-20/М2-ДИ с относительной погрешностью измерения ±0,6%, а температура измерялась термопарой 8 с относительной погрешностью измерения ±0,1°С. Расчетные затраты энергии составили около 700 Вт⋅ч/кг.

В качестве агломератов использовались частицы углеродного наноматериала «Таунит», изготавливаемые ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов. Углеродный наноматериал «Таунит» представляет собой одномерные наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита длиной более 2 мкм с наружными диаметрами от 15 до 40 нм. Агломераты наноматериала микрометрических размеров имеют структуру спутанных пучков многостенных трубок с размерами до 1-2 мм. В экспериментах сухой нанопорошок в виде агломератов суспендировался в дистиллированной воде с массовой долей 3,6%. Обработанные в аппарате пробы были исследованы при помощи лазерного анализатора частиц «MicroSizer 201С».

В опытах варьировался расход вводимого газа. Было выявлено, что ввод инертного газа с объемным расходом, не превышающим 4% от расхода суспензии, приводил к дополнительному снижению среднего размера агломератов до 1,5 раз по сравнению с режимом без ввода газа.

При расходе газа более 4% от расхода суспензии эффект от ввода газа исчезал.

В опытах также варьировалось количество элементов 8 типа трубы Вентури и длина участков 9 с постоянным поперечным сечением. Исследования показали, что оптимальные результаты достигаются при количестве 3-5 элементов типа трубы Вентури на каждом из участков 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением и при длине участков 8 с постоянным поперечным сечением, в 2-4 раза превышающей длину участков 7 с периодически изменяющимся поперечным сечением.

Пример конкретного выполнения 2. Данный пример характеризует прототип.

Эффективность деагломерации наночастиц была испытана по известному способу с применением ультразвуковой ванны мощностью 4 кВт и объемом 20 л. Деагломерация в ультразвуковой ванне проводилась при тех же затратах энергии (около 700 Вт⋅ч/кг), что и по предлагаемому изобретению.

Результаты деагломерации наночастиц по предлагаемому изобретению и с использованием прототипа представлены в Таблице 1, где в верхней строке таблицы указаны размеры агломератов, а в двух нижних - массовая доля частиц, соответствующая значениям размеров агломератов, полученных по изобретению-прототипу и по предлагаемому изобретению.

Как следует из таблицы 1, при использовании предлагаемого изобретения достигается более высокая эффективность процесса деагломерации наночастиц, чем при использовании прототипа (ультразвуковой ванны). Так, массовая доля частиц размером меньше δ<1 мкм после обработке «Таунита» в ультразвуковой ванне составляет 12%, а в предлагаемом аппарате - 33,1%, что почти в 3 раза больше, чем в ультразвуковой ванне. Менее 4,92 мкм имеют 68,6% агломератов, полученных обработкой по предлагаемому изобретению, и всего лишь 35% - с использованием прототипа.

Это означает, что при заданных затратах энергии в предлагаемом способе и устройстве достигается более высокая производительность (в 2-3 раза) по сравнению с известным изобретением.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективности процесса получения суспензии высокодисперсных частиц и производительности аппарата за счет более равномерного ввода энергии в гетерогенную систему, оптимального распределения энергии по длине аппарата и по частотам и оптимального расхода вводимого газа

1. Способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов, заключающийся в возбуждении колебаний в суспензии путем ее пропускания через пульсационный аппарат проточного типа и вводе в суспензию один или более раз инертного газа, причем возбуждение колебаний в суспензии при ее движении чередуют с отсутствием колебательных воздействий, отличающийся тем, что частоту колебательных воздействий постепенно увеличивают по ходу движения суспензии вдоль оси аппарата, а инертный газ вводят с объемным расходом, не превышающим 4% от расхода суспензии.

2. Аппарат, предназначенный для реализации способа по п. 1, содержащий нагнетатель и пульсационный аппарат проточного типа в виде одной или нескольких установленных параллельно труб с переменным сечением, узлов подвода компонентов и отвода продуктов, пульсационный аппарат состоит из чередующихся участков с периодически изменяющимся поперечным сечением и с постоянным поперечным сечением, отличающийся тем, что каждый из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением представляет собой 3÷5 элементов типа трубы Вентури, а участки с постоянным поперечным сечением имеют диаметр широкой части диффузора, а их длина в 2÷4 раза превышает длину участков с периодически изменяющимся поперечным сечением, при этом на каждом последующем участке с периодически изменяющимся поперечным сечением шаг между элементами типа трубы Вентури либо их объем уменьшается по сравнению с предыдущим участком с периодически изменяющимся поперечным сечением.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области химического или гравитационного извлечения полезных компонентов и может быть использована в химической, горно-металлургической, строительной и других отраслях промышленности при проведении процессов, например, противоточного растворения, выщелачивания, отмывки или разделения по тонкодисперсным фракциям минерального сырья, металлургических порошков.

Изобретение относится к областям энергетики и экологической защиты окружающей среды и может использоваться для обработки скважинных артезианских вод и для очистки промышленных и бытовых стоков.

Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкой среде и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системе «жидкость-жидкость».

Изобретение относится к устройствам для создания колебаний в жидкой проточной среде и может быть использовано для проведения различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость».

Изобретение относится к аппаратам для проведения физико-химических процессов при наличии газа, жидкости и катализатора, а более конкретно - к реакторам для синтеза гидроксиламинсульфата - одного из исходных компонентов производства пластмасс полиамидной группы.

Изобретение относится к областям энергетики и экологической защиты окружающей среды. .

Изобретение относится к перегонке нефти. .

Изобретение относится к устройствам для ускорения физико-химических и механо-физических процессов. .

Группа изобретений относится к неорганической химии и может быть использована для получения сероводорода с содержанием сульфанов, не превышающим 600 млн-1. Для получения сероводорода путем проведения экзотермической реакции серы с водородом при повышенных температуре и давлении обеспечивают наличие расплава (3) серы в нижней части (2) реактора (1).

Изобретение относится к способу облагораживания пека, причем способ содержит стадии, на которых осуществляют гидрокрекинг тяжелого нефтяного исходного материала в системе реакции гидрокрекинга, содержащей одну или более ступеней реакции гидрокрекинга, содержащих реактор гидрокрекинга с кипящим слоем; извлекают вытекающий поток и отработанный или частично отработанный катализатор из реактора гидрокрекинга с кипящим слоем; фракционируют вытекающий поток, чтобы производить две или более углеводородные фракции; осуществляют сольвентную деасфальтизацию по меньшей мере одной из двух или более углеводородных фракций, чтобы производить фракцию деасфальтированного масла и пек; подают пек, водород и частично отработанный катализатор в реактор гидрокрекинга пека с кипящим слоем; осуществляют контактирование пека, водорода и катализатора в реакторе гидрокрекинга пека с кипящим слоем при условиях реакции - температуре и давлении, достаточных, чтобы конвертировать по меньшей мере часть пека в дистиллятные углеводороды; отделяют дистиллятные углеводороды от катализатора.

Изобретение относится к установкам для окисления аммиака, в частности к газораспределителю для установки для окисления аммиака. Установка для окисления аммиака содержит емкость с внутренней стенкой и впускным отверстием для газа, слой катализатора, содержащийся в емкости, впускное отверстие для газа в емкость и газораспределитель, установленный во впускном отверстии для газа.

Группа изобретений относится к неорганической химии и может быть использована для получения сероводорода с содержанием сульфанов, не превышающим 600 млн-1. Для получения сероводорода путем проведения экзотермической реакции серы с водородом при повышенных температуре и давлении обеспечивают наличие расплава (3) серы в нижней части (2) реактора (1).

Изобретение относится к синтезу сероводорода и может быть использовано в химической промышленности. Реактор (1) для непрерывного получения сероводорода содержит нижнюю часть (2) с расплавом (3) серы, одну или несколько не удерживающих давление первых ловушек (4), по меньшей мере по одному устройству (5, 5а), подводящему водород на каждую первую ловушку, газосборную часть (6), пригодную для вмещения газовой смеси, содержащей продукт, один или несколько не удерживающих давление встроенных элементов (7) для непрерывного перемещения всей содержащей продукт газовой смеси, образовавшейся в нижней части (2) реактора, в газосборную часть (6).

Изобретение относится к синтезу сероводорода и может быть использовано в химической промышленности. Реактор (1) для непрерывного получения сероводорода путем проведения экзотермической реакции серы и водорода содержит нижнюю часть (2) для размещения расплава (3) серы, одну или несколько не удерживающих давление первых ловушек (4), по меньшей мере по одному устройству (5, 5a), подводящему под давлением газообразный водород на каждую первую ловушку, одну или несколько не удерживающих давление вторых ловушек (8), расположенных над первой(-ыми) ловушкой(-ами) (4), газосборную часть (6) для размещения газовой смеси, содержащей продукт при повышенных температуре и давлении.

Изобретение относится к реактору для каталитической паровой и пароуглекислотной конверсии углеводородов, содержащему цилиндрический корпус с эллиптическим дном, закрытый крышкой, при этом во внутренней полости корпуса вдоль цилиндрической его части закреплены на крышке множество вертикальных нагревательных труб байонетного типа, оборудованных горелками и штуцерами подвода топлива, окислителя и штуцером отвода дымовых газов, которые установлены вдоль цилиндрической части.

Изобретение относится к способу и устройству для гидрообработки риформата. Способ включает приведение риформата в контакт с обладающим каталитическим гидрирующим действием катализатором в условиях жидкофазной гидрообработки в реакторе гидрирования, при этом часть водородсодержащего газа для гидрообработки получена из растворенного водорода, содержащегося в риформате; где гидрообработку проводят в присутствии дополнительного водородсодержащего газа, который инжектируют в риформат перед проведением контактирования и/или во время контактирования через поры с помощью смесителя, который содержит, по меньшей мере, один канал для жидкости, предназначенный для риформата, и, по меньшей мере, один канал для газа, предназначенный для дополнительного водородсодержащего газа, при этом канал для жидкости соединен с каналом для газа посредством компонента, по меньшей мере, часть которого представляет собой пористую область; при этом риформат получают из нижней части газожидкостного сепаратора путем инжекции смеси каталитического риформинга в газожидкостной сепаратор и в продукте, полученном путем проведения контактирования, удаляют летучие компоненты, причем риформат поступает в реактор гидрирования после теплообмена с нефтяным сырьем с удаленными летучими компонентами, нефтяное сырье с удаленными летучими компонентами инжектируют в колонну для удаления тяжелых компонентов и для извлечения ароматических углеводородов из верхней части колонны.

Изобретение относится к улучшенному способу производства уксусной кислоты в системе производства уксусной кислоты, включающему этапы: (i) производства уксусной кислоты в реакторе, при этом этап производства включает реакцию монооксида углерода и метанола в присутствии катализатора и йодистого водорода; (ii) формирования комплекса путем непрерывного введения комплексообразующего агента в систему после реактора, причем комплексообразующий агент содержит фосфиноксид, при этом комплексообразующий агент вводят в количестве от приблизительно 0,1 до 10 моль на моль йодистого водорода, и при этом фосфиноксид и йодистый водород взаимодействуют с образованием указанного комплекса; и (iii) извлечения указанного комплекса.

Изобретение относится к способам получения алкенилгалогенсиланов. Предложен способ получения алкенилгалогенсиланов путем превращения алкенилгалогенида, выбранного из группы, включающей винилгалогенид, винилиденгалогенид и аллилгалогенид, с галогенсиланом, выбранным из группы, включающей моногалогенсилан, дигалогенсилан и тригалогенсилан, в исходном мольном отношении галогенсилана к алкенилгалогениду между 1,0 и 10 в газовой фазе в реакторе, представляющем собой реакционную трубу (1) с входным отверстием (2) на одном конце и выходным отверстием (3) на другом конце, а также снабженном газоподводящим устройством (4), которое имеет несколько мест ввода газа (5), расположенных вдоль продольной оси реакционной трубы (1) на определенном расстоянии друг от друга и выходящих внутрь реакционной трубы (1).

Изобретение относится к устройствам для перемешивания, гомогенизации, эмульгирования жидких сред и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических, тепломассообменных процессов в системах "жидкость-жидкость".

Группа изобретений относится к получению суспензии порошков неорганических и органических материалов и может быть использована для деагломерации в жидкой среде наноразмерных порошков углерода, металлов и их соединений, органических веществ в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов заключается в возбуждении колебаний в суспензии путем ее пропускания через пульсационный аппарат проточного типа и вводе в суспензию один или более раз инертного газа. Причем возбуждение колебаний в суспензии при ее движении чередуют с отсутствием колебательных воздействий. Частоту колебательных воздействий постепенно увеличивают по ходу движения суспензии вдоль оси аппарата, а инертный газ вводят с объемным расходом, не превышающим 4 от расхода суспензии. Аппарат, предназначенный для реализации указанного способа, содержит нагнетатель и пульсационный аппарат проточного типа в виде одной или нескольких установленных параллельно труб с переменным сечением, узлов подвода компонентов и отвода продуктов. Пульсационный аппарат состоит из чередующихся участков с периодически изменяющимся поперечным сечением и с постоянным поперечным сечением. Каждый из участков с периодически изменяющимся поперечным сечением представляет собой 35 элементов типа трубы Вентури, а участки с постоянным поперечным сечением имеют диаметр широкой части диффузора, а их длина в 24 раза превышает длину участков с периодически изменяющимся поперечным сечением. При этом на каждом последующем участке с периодически изменяющимся поперечным сечением шаг между элементами типа трубы Вентури либо их объем уменьшается по сравнению с предыдущим участком с периодически изменяющимся поперечным сечением. Техническим результатом является повышение эффективности процесса получения суспензии высокодисперсных частиц и повышение производительности аппарата за счет более равномерного ввода энергии в гетерогенную систему, оптимального распределения энергии по длине аппарата и по частотам, а также оптимального расхода вводимого газа. 2 н.з. ф-лы, 4 ил., 2 пр., 1 табл.

Наверх