RU2033855C1

RU2033855C1 - Resonance apparatus

Info

Publication number: RU2033855C1
Authority: RU
Inventors: Г.М. Островский; Р.Ш. Абиев; Е.Г. Аксенова; Б.Л. Бабинцева; А.А. Соколов; А.К. Ставаш
Original assignee: Санкт-Петербургский технологический институт
Priority date: 1992-09-29
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: resonance apparatus comprises a container with conical splitter on its bottom, a stationary central pipe arranged in a spaced relation to the bottom, sealed in the upper part and provided with a vibration stimulator connected with vibration generator, and flexible members in central pipe and circular chamber. Vibration stimulator is installed in upper part of central pipe, the relation of the clearance between said pipe and bottom to its diameter ranging from 0.3 to 0.65. EFFECT: simpler design and lower power consumption. 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для проведения процессов в системах жидкость твердое и может быть использовано в химической, химико-фармацевтической, биотехнологической, нефтехимической и других промышленностях для перемешивания, растворения, выщелачивания и экстракции. The invention relates to devices for carrying out processes in solid liquid systems and can be used in chemical, chemical-pharmaceutical, biotechnological, petrochemical and other industries for mixing, dissolving, leaching and extraction.

Известен резонансный аппарат [1] содержащий емкость с размещенным внутри упругим элементом в нижней части, выполняющим функции резонатора, и соединенным с ее верхней частью генератором колебаний. A known resonant apparatus [1] containing a container with an elastic element located inside the lower part, performing the functions of a resonator, and an oscillation generator connected to its upper part.

Несмотря на высокую локальную турбулентность, наблюдаемую в таком аппарате при колебательных воздействиях на жидкость, имеет место слабое перемешивание жидкостной среды, поскольку возникающие в ней динамические напоры не используются для создания крупномасштабных пульсаций в объеме жидкости и, следовательно, для подъема твердой фазы, что в значительной степени ухудшает условия тепло- и массообмена. Despite the high local turbulence observed in such an apparatus under vibrational effects on the liquid, there is weak mixing of the liquid medium, since the dynamic pressures arising in it are not used to create large-scale pulsations in the volume of the liquid and, therefore, to lift the solid phase, which is significant degree worsens the conditions of heat and mass transfer.

Известен аппарат [2] содержащий емкость, внутри которой установлена центральная труба со смесительным устройством на штоке, соединенным с генератором колебаний. Направленное движение жидкости в центральной трубе создается смесительным устройством, выполненным в виде перфорированных дисков и действующим при их возвратно-поступательном движении подобно вибрационной мешалке. A known apparatus [2] comprising a container, inside which a central pipe is installed with a mixing device on a rod connected to an oscillation generator. The directed movement of the liquid in the central pipe is created by a mixing device made in the form of perforated disks and acting like a vibrating mixer during their reciprocating motion.

Однако работа таких устройств вследствие отсутствия упругого элемента (резонатора) не может осуществляться в резонансном режиме, резко повышающем эффективность колебательных воздействий. However, the operation of such devices due to the absence of an elastic element (resonator) cannot be carried out in a resonant mode, which sharply increases the efficiency of vibrational effects.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является резонансный аппарат [3] содержащий емкость с герметизированной в верхней части центральной трубой, установленной неподвижно с образованием зазора с днищем, и побудитель колебаний жидкости в виде коаксиальных труб. The closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result is a resonant apparatus [3] comprising a container with a central pipe sealed in the upper part, mounted motionlessly with the formation of a gap with a bottom, and a liquid vibration stimulator in the form of coaxial pipes.

Однако в таком аппарате повышение эффективности за счет организации резонансного режима колебаний достигается усложнением конструкции побудителя колебаний. Помимо этого передача колебательных воздействий жидкости через две трубы сопровождается значительными потерями давления на трение, что приводит к повышенным энергозатратам. However, in such an apparatus, an increase in efficiency due to the organization of the resonant mode of oscillations is achieved by complicating the design of the oscillation inducer. In addition, the transmission of vibrational effects of fluid through two pipes is accompanied by significant pressure losses on friction, which leads to increased energy consumption.

Цель изобретения упрощение конструкции и снижение энергозатрат с сохранением технических характеристик. The purpose of the invention is to simplify the design and reduce energy consumption while maintaining technical characteristics.

Для этого резонансный аппарат, содержащий емкость с центральной трубой, установленной неподвижно с образованием зазора с днищем, герметизированной в верхней части и снабженной соединенным с генератором колебаний побудителем колебаний, снабжен упругими элементами в центральной трубе и емкости и коническим рассекателем, установленным на днище емкости, при этом отношение величины зазора между торцем трубы и днищем емкости к диаметру трубы выбрано в интервале 0,3-0,65. Упрощение конструкции достигается использованием побудителя колебаний (мембраны или сильфона) для герметизации верхней части центральной трубы и служащего для нее крышкой. За счет исключения уплотнительного и смесительного устройств конструкция аппарата упрощается, облегчается его эксплуатация. For this, a resonant apparatus containing a container with a central tube fixedly forming a gap with a bottom, sealed in the upper part and equipped with an oscillation inducer connected to an oscillation generator, is equipped with elastic elements in the central tube and vessel and a conical divider mounted on the bottom of the vessel, this ratio of the gap between the end of the pipe and the bottom of the tank to the diameter of the pipe is selected in the range of 0.3-0.65. Simplification of the structure is achieved by using a vibration stimulator (membrane or bellows) to seal the upper part of the central pipe and serving as a cover for it. Due to the exclusion of sealing and mixing devices, the design of the apparatus is simplified, its operation is facilitated.

Снижение энергозатрат обеспечивается тем, что затраты мощности на сжатие газа в упругом элементе существенно ниже, чем при работе помещенного в жидкость смесительного устройства. Reducing energy costs is ensured by the fact that the power consumption for gas compression in the elastic element is significantly lower than when the mixing device is placed in the liquid.

Помимо этого использование центральной трубы с диаметром в заданном интервале относительно величины ее зазора между днищем позволяет снизить гидравлические потери давления при движении жидкостной среды в пространственном (кольцевом) канале. In addition, the use of a central pipe with a diameter in a predetermined interval relative to its gap between the bottom makes it possible to reduce hydraulic pressure losses during the movement of a liquid medium in a spatial (annular) channel.

На фиг. 1 представлена зависимость коэффициента местного сопротивления ζ в пространственном (кольцевом) канале от его геометрии при всасывании для F_т/F_кк 1-1,0 и 2-0,5; и при нагнетании для F_т/F_кк: 3-1,0 и 4-0,5; на фиг. 2-4 представлены схемы резонансных аппаратов с упругими телами в виде газовой подушки, контактирующей с жидкостью непосредственно или через упругую перегородку, либо упругую газонаполненную оболочку или упругосжимаемое тело.In FIG. 1 shows the dependence of the local resistance coefficient ζ in the spatial (annular) channel on its geometry during absorption for F _t / F _kk 1-1.0 and 2-0.5; and at injection for F _t / F _kk: 3-1.0 and 4-0.5; in FIG. 2-4 are diagrams of resonant devices with elastic bodies in the form of a gas cushion in contact with the liquid directly or through an elastic partition, or an elastic gas-filled shell or an elastic compressible body.

Минимальные значения коэффициента местного сопротивления ζ в таком канале при повороте на угол π при нагнетании и всасывании для наиболее часто используемых отношений толщины стенки трубы к ее диаметру δ/d_т 0,1 и радиуса закругления ее стенок r/d_т 0,05 соответствуют значениям отношений величины зазора h к диаметру центральной трубы d в интервале 0,3-0,65 и площадей сечения центральной трубы F_т и кольцевой камеры F_кк, примерно равном 0,5. Если отношение высоты зазора к диаметру центральной трубы преобразовать в отношение их площадей, то оно составит

0,83-0,38
Следовательно, с целью сведения потерь (на местные сопротивления при кольцевом повороте) динамического напора, создаваемого при колебательных воздействиях на жидкость, к минимуму и его целенаправленного использования для воздействий на твердые частицы необходимо принимать отношение величины зазора между центральной трубой и днищем к ее диаметру в интервале 0,3-0,65, а площади сечения кольцевой камеры и кольцевого зазора примерно одинаковыми.The minimum values of the coefficient of local resistance ζ in such a channel when turning through an angle π during injection and suction for the most frequently used ratios of the pipe wall thickness to its diameter δ / d _t 0.1 and the radius of curvature of its walls r / d _t 0.05 correspond to the values the ratio of the gap value h to the diameter of the central pipe d in the range of 0.3-0.65 and the cross-sectional areas of the central pipe F _t and the annular chamber F _kk , approximately equal to 0.5. If the ratio of the height of the gap to the diameter of the central pipe is converted to the ratio of their areas, then it will be

0.83-0.38
Therefore, in order to reduce the losses (due to local resistance during an annular rotation) of the dynamic pressure generated by vibrational effects on the liquid to a minimum and its purposeful use for impacts on solid particles, it is necessary to take the ratio of the gap between the central pipe and the bottom to its diameter in the interval 0.3-0.65, and the cross-sectional area of the annular chamber and the annular gap are approximately the same.

За счет ведения процессов в резонансном режиме технические характеристики аппарата не снижаются. Это объясняется тем, что эффективность процессов определяется параметрами резонансных колебаний, зависящими от геометрии аппарата и упругих элементов, и не зависит от способа их возбуждения (колебаниями перфорированной тарелки на пружине в жидкости или давления в газовой подушке, возвратно-поступательными перемещениями объема жидкости или иным способом). Due to conducting processes in the resonant mode, the technical characteristics of the apparatus are not reduced. This is because the efficiency of the processes is determined by the parameters of resonant vibrations, depending on the geometry of the apparatus and elastic elements, and does not depend on the method of their excitation (vibrations of a perforated plate on a spring in a liquid or pressure in a gas cushion, reciprocating movements of a liquid volume or otherwise )

Резонансный аппарат содержит емкость 1 с центральной трубой 2, герметизированной в верхней части побудителем 3 колебаний (резиновой мембраной или сильфоном). Побудитель 3 колебаний последовательно подсоединен через шток 4 к генератору 5 колебаний (возможно в виде эксцентрикового привода с редуктором и электродвигателем). В верхней части центральной трубы и кольцевой камеры имеются упругие элементы 6 и 7: газовые полости, контактирующие с жидкостью непосредственно (фиг. 2) или через упругие перегородки 13 и 14 соответственно (фиг. 3), либо упругие газонаполненные оболочки или упругосжимаемые тела (фиг. 4) для процессов, исключающих контакт жидкости с газом. В емкости в случае необходимости может быть установлен теплообменник 8 для отвода (подвода) тепла. Емкость 1 имеет люк 9 для загрузки исходных продуктов и люк 10 для выгрузки готовых продуктов. На днище емкости 1 установлен конический рассекатель 11, обращенный вершиной к центральной трубе. The resonance apparatus contains a container 1 with a central pipe 2, sealed in the upper part with a vibrator 3 (rubber membrane or bellows). The oscillator 3 is connected in series through the rod 4 to the oscillation generator 5 (possibly in the form of an eccentric drive with a gearbox and an electric motor). In the upper part of the central pipe and the annular chamber there are elastic elements 6 and 7: gas cavities in direct contact with the liquid (Fig. 2) or through elastic partitions 13 and 14, respectively (Fig. 3), or elastic gas-filled shells or elastically compressible bodies (Fig. 4) for processes that exclude contact of liquid with gas. If necessary, a heat exchanger 8 can be installed in the tank to remove (supply) heat. Capacity 1 has a hatch 9 for loading the source products and a hatch 10 for unloading finished products. On the bottom of the tank 1, a conical divider 11 is installed, facing the apex to the central pipe.

Емкость 1 установлена на неподвижных опорах 12. Упругие элементы 6 и 7 в виде газовых полостей (фиг. 2) или упругих газонаполненных оболочек (фиг. 3) могут быть подсоединены к регулятору давления (не показан). Capacity 1 is mounted on fixed supports 12. Elastic elements 6 and 7 in the form of gas cavities (Fig. 2) or elastic gas-filled shells (Fig. 3) can be connected to a pressure regulator (not shown).

Резонансный аппарат работает следующим образом. The resonance apparatus operates as follows.

После заполнения емкости 1 через люк 9 исходными продуктами с твердой фазой и включения генератора 5 колебаний возвратно-поступательные движения от него через шток 4 передаются побудителю 3 колебаний и далее содержащимся в верхней замкнутой герметичной полости центральной трубы 2 упругому элементу 6 либо содержащемуся в нем газу (фиг. 2, 3) и затем жидкости непосредственно (фиг. 2) или через упругую перегородку (фиг. 3), либо через жидкость (фиг. 4). After filling the tank 1 through the hatch 9 with solid-phase starting products and turning on the oscillation generator 5, the reciprocating movements from it through the rod 4 are transmitted to the oscillation stimulator 3 and then to the elastic element 6 or the gas contained therein in the upper closed sealed cavity of the central pipe 2 ( Fig. 2, 3) and then the liquid directly (Fig. 2) either through an elastic partition (Fig. 3) or through a liquid (Fig. 4).

При частоте колебаний побудителя колебаний, близкой частоте собственных колебаний жидкостной системы с упругими элементами, наступает резонансный режим ее колебаний, фиксируемый по возникновению интенсивных колебательных движений жидкости в кольцевой камере. При этом имеют место мощные динамические воздействия на жидкость, обеспечивающие взвешивание твердых частиц и их подъем. В результате происходит перемешивание твердых частиц в жидкости и интенсивное их растворение или экстрагирование из них. When the oscillation frequency of the vibration stimulator is close to the natural frequency of the liquid system with elastic elements, the resonant mode of its oscillations sets in by the occurrence of intense oscillatory movements of the liquid in the annular chamber. In this case, there are powerful dynamic effects on the liquid, providing weighing of solid particles and their rise. As a result, solid particles are mixed in the liquid and intensively dissolved or extracted from them.

П р и м е р. В резонансном аппарате диаметром 0,26 м, высотой 0,43 м (общий объем 0,02 м³) с центральной трубой диаметром 0,125 м, установленной на расстоянии 0,07 м от днища с коническим рассекателем диаметром 0,15 м в основании при угле конусности 60^о и герметично закрытой вверху резиновой мембраной, при колебательных воздействиях через побудитель колебаний с частотой 5 Гц, амплитудой 0,01 м и вводимой мощностью 0,07 кВт при растворении ниобия в водном растворе плавиковой кислоты с добавлением перекиси водорода за полтора часа достигается максимальный выход пятиокиси ниобия, соответствующий 8,4 мас. и ниобия с концентрацией 240 г/л.PRI me R. In a resonant apparatus with a diameter of 0.26 m, a height of 0.43 m (total volume 0.02 m ³ ) with a central tube with a diameter of 0.125 m, installed at a distance of 0.07 m from the bottom with a conical divider with a diameter of 0.15 m in the base at taper angle ⁶⁰ ° and the top sealed with a rubber membrane, under the vibrational effects by stimulus vibrations with a frequency of 5 Hz, an amplitude of 0.01 m and a power input of 0.07 kW by dissolving niobium in an aqueous hydrofluoric acid solution with added hydrogen peroxide and a half hours is achieved maximum yield si niobium corresponding to 8.4 wt. and niobium with a concentration of 240 g / l.

Claims

RESONANT DEVICE containing a container in which a central pipe is installed motionlessly with a gap with the bottom of the container, sealed in the upper part and connected to the upper part with an oscillation driver, characterized in that it is equipped with a conical divider mounted on the tank bottom coaxially with the pipe, resilient elements placed in the tank and in the central pipe, and the ratio of the gap between the end of the pipe and the bottom of the tank to the diameter of the pipe is selected in the range of 0.3 - 0.65.