Центробежный прямоточный аппарат

 

ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ АППАРАТ включающий корпус с размещенным в нем ротором с насадкой в виде коаксиально расположенных циBrfCOPiSH-lS 54.Т :1;:Иг- s« -,;: if .v iMBJiaOFcKA линдров и устройства внода и вьшода фаз, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса за счет повышения степени разделения фаз, увеличения производительности , улучшения качества готового продукта , расширения диапазона устойчивости работы и использования, цилиндры снабжены диффузорами и соплами, расположенными соосно друг другу и радиально в чередукяцейся последовательности относительно соседних цилиндров , при этом цилиндры с соплами снабжены переточными патрубками.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК.,SU„„i94039().

3 g В 01 0 11/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЪЙ

ВГЯС Й) м 3+. . Я ()ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 1; :"-:" -; " " "1 . г- .

К ABTOPGKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЙЙБМВТЫА (54)(57) ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ

АППАРАТ, включающий корпус с размещенным в нем ротором с насадкой в виде коаксиально расположенных ци4

° Ф

° °

4 (21) 3225781/23-26 (22) 29.12.80 (46) 23.07.84. Бюл. № 27 (72) А.Н.Филимонов (71) Казанский химико-технологический институт им. С.M.Кирова (53) 66.061.5(088.8) (56) 1. Патент США ¹ 3179333, кл. 233-15, 1969 (прототип).! линдров и устройства ввода и вывода фаз, отличающийся тем, что, с целью интенсификации-процесса эа счет повьш1ения степени разделения фаз, увеличения производительности, улучшения качества готового продукта, расширения диапазона устойчивости работы и использования, цилиндры снабжены диффузорами и соплами, расположенными соосно друг другу и радиально в чередующейся последовательности относительно соседних цилиндров, при этом цилиндры с соплами снабжены переточными патрубками.

1 9403

Изобретение относится к устройствам для осуществления процессов массообмена (экстракция, абсорбция, десорбцня), теплообмена (нагрев, охлаждение), перемешивания (гомогенизация, смешение), химических и биологических превращений, очистки микротуманов, аэрозолей, мокрой очистки газов от пыли, в системах жидкостьжидкость, газ-жидкость и может быть 1О применено в различных отраслях промышленности.

Известен центробежный экстрактор, содержащий корпус, ротор с насадкой, выполненный в виде коаксиально расположенных цилиндров со штампованными выступами и устройства ввода и вывода фаз (13.

K недостатк;:м данного аппарата относятся исключитеЛьная трудность в реализации выполнения заложенной в конструкции идеи однофазного истечения жидкостей через перфорации, выполненные в форме штампованных выступов. В самом деле, расположение штампованных выступов должно обеспечить однофазное истечение жидкостей: через выступы, обращенные к периферии должна проходить только тяжелая фаза при ее движении от центра к пе30 риферии ротора, легкая же фаза должна проходить только через выступы, обращенные к оси ротора. Нормальная работа аппарата возможна только при наличии определенной толщины слоя

:тяжелой фазы с внутренней стороны перфорированных цилиндров. Если же толщина вышеуказанного слоя тяжелой фазы с внутренней стороны перфорированных цилиндров уменьшается до нуля или же возрастает до величины, пре- 40 вышающей высоту штампованных выступов, наступает двухфазное противоточное истечение жидкостей через отверстия и производительность аппарата резко падает.

Следовательно, диапазон устойчивой работы аппарата крайне мал и всецело определяется высотой штампованных выступов перфораций. Все это влияет на производительность аппарата, интенсивность процессов массообмена и качество получаемого продукта, ибо не достигается требуемая степень извлечения (разделения).

К недостаткам данного аппарата следует отнести относительную сложность в изготовлении штампованных выступов строго определенной высоты, 90 2 даже малые отклонения от номинальной высоты могут существенно сказаться на работе (т.е. производительности и интенсивности массообмена) как отдельных участков перфораций, так и всего аппарата в целом.

Аппарат .может применяться исключительно только в процессах жидкостной экстракции, что значительно сужает область его применения.

Целью изобретения является интенсификация процесса за счет повышения степени разделения фаз, увеличения производительности, улучшения качест ва готового продукта, расширения диапазона устойчивой работы и использования.

Поставленная задача достигается тем., что, в предлагаемом центробежном экстракторе, содержащем корпус в распложенным в нем ротором с насадкой в виде коаксиально расположен ных цилиндров и устройства ввода и вывода фаэ, цилиндры снабжены диффузорами и соплами, расположенными соосно друг другу и радиально в чередующейся последовательности относительно соседних цилиндров, при этом цилиндры с соплами снабжены переточными патрубками.

Соосное расположение диффузоров и сопл, укрепленных на соседних цилиндрах в чередующейся последовательности, радиально, а также радиаль ное расположение переточных патрубков, укрепленных на цилиндрах с соплами, позволяет оптимальным образом использовать центробежную силу, действующую на фазы при их движении в аппарате от центра к периферии ротора, что ведет к резкому увеличению производительности аппарата по отношению к прототипу, эффект инжекции в сочетании в полем центробежных сил. Это позволяет максимальным образом использовать кинетическую энергию рабочего потока (здесь и в дальнейшем, учитывая многоцелевое назначение аппарата, с целью .упрощения последующего изложения рабочим потоком будем называть диспергируемую жидкость, т.е. фазу, имеющую плотность pT, инжектируемым потоком будем называть жидкость, газ, микротуман, аэрозоль и т.д.), которая засасывается (инжектируется) рабочим потоком и имеет плотность f „, причем f z 7 P„ для транспортирования и турбулизации рабоче-инжектируемо3 9403 го потока, создания максимально развитой межфазной поверхности, за счет чего достигается высокая интенсификация процесса массообмена.

На фиг. 1 изображен экстрактор, продольный разрез; на фиг.. 2 — раз5 рез А-А на фиг. 1; .на фиг. 3 — узел 7 на фиг. 2, на фиг. 4 — гидродинами" ческая картина движения потоков фаэ в контактной зоне аппарата; на фиг. 5-7 — варианты профилей сечений сопл; на фиг. 8-12 — варианты выполнения диффуэоров в разрезе.

Центробежный прямоточный аппарат состоит иэ корпуса 1, ротора 2 с насадкой, камер 3 и 4 для сбора, соответственно, инжектируемого и рабочего потоков. В камеры введены не связанные с ними неподвижные напорные диски 5 и 6 для отвода потоков.

Подвод рабочего потока в зону контакта осуществляется по каналу 7, про сверленному в залу 8, через распределитель 9. Подвод инжектируемого потока в зону контакта осуществляется по каналу 10, просверленному в валу 11, через распределитель 12. Сепарация проконтактировавших потоков осуществляется в эонах 13, 14 сепара. ции, соответственно рабочего и инжектируемого . Отсепарированные фазы

30 выводятся иэ аппарата с помощью напорных дисков 5 и 6 по межтрубным пространствам 15, 16 приемо-выводного устройства.

Рабочее пространство ротора эапол- З5 нено насадкой, выполненной в виде коаксиальных цилиндров 17, снабженных диффуэорами 18 и соплами 19, расположенными на соседних цилиндрах в чередующейся последовательнос- 40 ти, причем диффузоры и сопла соосны друг другу и уклеплены на цилиндрах радиально, а на цилиндрах с соплами установлены переточные патрубки 20.

Аппарат включает также камеру 21. 45

Как сопла, так и диффузоры могут иметь различную форму.

С учетом эмульгируемости контактирующих потоков и величины межфазного (поверхностного) натяжения подбирается соответствующая форма и раз. меры диффузора. Для систем, склонных к эмульгированию (например масла и составы на их основе) предпочтительней диффузоры, изображенные на 55 фиг. 9 и 11, для систем, не склонных к эмульгированию и малым межфазным (поверхностным) натяжениям, предпоч90 а ъительней диффузоры, изображенные на фиг. 8. В случае, когда требуется получить большую межфазную поверхность, предпочтительней диффузоры, изображен. ные на фиг. 10, 12.

Аппарат работает следующим образом, Рабочий поток по каналу 7 и распределителю 9 поступает в сопла 19, откуда под действием центробежной силы выбрасывается в виде капель и струй в диффузоры 18, выполняющие роль смесительных камер. При движении с большой скоростью из сопла в диффузор рабочий поток увлекает (инжектирует) инжектируемый поток из камеры 21 в диффузор 18, где происходит интенсивное взаимодействие (турбулизация, смешение) рабочего и инжектируемого потоков с образованием высокодисперсной эмульсии.

Проконтактировав, образовавшаяся высокодисперсная эмульсия при своем движении под действием центробежной силы от центра к периферии ротора дос тигает внутренней поверхности коаксиальных цилиндров 17 (см. фиг. 4), где происходит расслаивание потоков с образованием двух слоев 22, 23 в соответствии с удельными весами взаимодействующих потоков. Слой рабочего потока, имеющего большую плотность, является гидроэатвором для инжектируемого потока, имеющего меньшую плотность. Последний, увеличиваясь, достигает высоты переточных патрубков 20 и по ним перетекает на следующую ступень контакта, расположенную ближе к периферии ротора.

На следующих ступенях весь процесс повторяется, пока контактируемые потоки не достигнут периферии ротора.

Достигнув периферии ротора, рабочий поток поступает в сепарационную зону 13, где из него отделяется частич но уносимый им инжектируемый поток.

Отсепарированный рабочий поток поступает в камеру 4, откуда с помощью напорного диска 5 Ilo межтрубному пространству 15 выводится из аппарата.

Инжектируемый поток, достигнув зоны 14 сепарации, отделяется от частично уносимого им рабочего потока и по переточным патрубкам 20 поступает в камеру 3, откуда с помощью напорного диска 6 по межтрубному про странству 16выводится из аппарата.

При движении контактируемых пото,ков в насадочной части аппарата, вы940390 полненный в виде набора коаксиальных

Цилиндров, снабженных диффузорами и соплами, соосно расположенными на соседних цилиндрах в чередующейся пос. ледовательности и радиально, оптималь- 5 ным образом используется эффект инжекции с направлением поля центробежных сил, — это ведет к резкому увеличению производительности аппарата и интенсифупсации физических, химических, 0 физико-химических, биологических, тепло- и массообменных процессов. Большие скорости контактируемых фаз, вы— сокие градиенты скоростей и давлений потоков по сечению и длине смеситель- 15 ных камер (диффузоров) обуславливает значительные касательные напряжения (i)

20 п гAP.

Ь

2Е где — радиус рассматриваемой точки смесительной камеры в сечении, перпендикулярном геометрической оси диффузора; — длина диффузора; йРi — градиенты давлений и скоросдГ тей потоков по сечению смесительной камеры.

Эти касательные напряжения ь, Т" ведут к интенсивной турбулизации взаимодействующих потоков, следовательно, достигается высокая дисперс35 ность распыла.

Интенсивная турбулизация взаимодействующих потоков способствует многократному слиянию и распаду струй и капель и, следовательно, интенсифицируются процессы, происходящие в аппарате. Двигаясь с большой скоростью в смесительных камерах (диффузорах),поток эмульсии при выходе из последних ударяется о межфазную поверхность 24 раздела фаз и далее проникает в слой отсепарированного рабочего потока, достигнув внутренней поверхности коаксиальных цилиндров, ударяется в него, разбивается

50 на отдельные струи, капли. При ударе потока эмульсии о межфазную поверхность и далее, двигаясь в слое рабочего потока, в образовавшейся воронке (лунке) срываются гребни, волны, бегущие по лунке, поток эмуль55 сии разбрызгивается, происходит интенсивное проникновение, насыщение каплями (пузырьками, частицами) взаимодействующих потоков. "Борода" пузырей (капель, частиц, мелких тонких струй) интенсивно отрывается от лунки и в процессе поперечных колебаний лунки всплывает то с одной, то с другой стороны от нее. Разрушение межфазной поверхности приводит к резкому ее развитию, способствуя перемешиванию. Все это интенсифицирует процессы, происходящие в аппарате, а в случае смешения (гомогени ации) веществ улучшается качество продукта, его однородность.

К достоинствам данного аппарата следует отнести также отсутствие продольного перемешивания потоков фаз при их движении по аппарату; высокую скорость потоков в аппарате, высокую дисперсность распыла; малое гидравлическое сопротивление движению потоков; широкий диапазон режимов устойчивой работы аппарата. Аппарат практически может работать как при нулевом расходе одного из взаимодей— ствующих потоков, так и при нагрузках, превышающих пропускную способность инжекционной пары сопло-диффузор

В этом случае взаимодействующие потоки будут двигаться не только в системе сопло-диффузор, но и через переточные патрубки, которые в данном случае будут работать в режиме истечения и выполнять роль одновременно и как смесительные элементы, и как переточные патрубки.

Исследования по производительности проводились на системе жидкость-жидкость (система: керосин †во) . Производительность аппарата по отношению к прототипу возросла в 10 — 12 раз.

Исследования по массообмену прово. дились на системах: а) жидкость-жидкость: керосин-фенол-вода (извлечение фенола из керосина водой), б) газ-жидкость: абсорбция NH

3 водой из смеси его с воздухом.

Проведенные исследования показали, что эффективность массообмена при экстракции возросла на 60-707 (по отношению к прототипу), в случае адсорбции — на 50-607 (по сравнению с данными, опубликованными в периодической печати для случая скруббера, трубы Вентури и тарельчатой колонны).

Исследования проводились при объемном соотношении рабочего потока к инжектируемому9„/О„= 3/1 — 1/3 и числе оборотов ротора N = 1500 об/мин

940390

Весьма удовлетворительные результаты можно ожидать при применении центробежного прямоточного аппарата в качестве: а) реактора, абсорбера, десорбера, экстрактора, для многих гетерогенных систем. Наибольший эффект от испопьзования аппарата, очевидно, будет иметь место в случае определяющего влияния сопротивления внешней диффузии в инжектируемом потоке б) в качестве теплообменника для нагрева и охлаждения фаз, утилизации тепла отходящих (топочных) газов, в) для целей очистки и переработки газовых смесей, осаждения аэрозо лей, для улавливания из газов ценных

:компонентов, мокрой очистки газов от пыли, для очистки микротуманов, очистки отходящих газов; г) смесителей для гомогенизации продуктов, полупродуктов и рецептур на их основе (например, для приготов ления топливных смесей из масел и бензина) е) реакторов для биологических превращений (например, в производстве антибиотиков).

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о преимуществе предлагаемой модели аппарата по отношению к прототипу.

10 Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известными экстракторами с насадкой в виде перфорированных цилиндров, применяемыми в промышленности (база сравнения), 15 и скрубберами типа трубы Вентури, и тарельчатыми колоннами, применяемыми в промышленности (база сравнения), позволит интенсифицировать процессы, увеличить производительность и улуч20 шить качество продукта, расширить диапазон устойчивой работы и возможность использования в различных хими ко-технологических процессах. !

940390 — Рабочий. гтоигок: щлжелия(дислерснар уа,уу — - инжйкмируемый поток:леаиафсилашнаЯ фаза

940390

Фиг.5

Фиг. 1д фиг. 12 иг.

Со ст ав ит ель М. Не наше в а

Техред Т.Фанта Корректор Л.Пилипенко

Редактор Л.Горькова

Заказ 5500 Тираж 682 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Ужгород, ул.Проектная, 4